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專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

本文作者: 陳圳 2016-08-26 20:50
導(dǎo)語:IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)深度解密,你想看的都在這。

雷峰網(wǎng)(公眾號(hào):雷峰網(wǎng))按:本文作者James Zhu ,本文為你介紹了1)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史;2)量子計(jì)算機(jī)較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越之處;3)量子算法與我們的關(guān)系;4)IBM量子在線體驗(yàn)服務(wù)介紹。

量子計(jì)算機(jī)真的不只存在在科幻小說里嗎?它和普通計(jì)算機(jī)有何區(qū)別?和咱普通程序員又有何關(guān)系。本篇文章專治不明覺厲,希望帶你一探量子計(jì)算機(jī)的究竟!

2001年的時(shí)候,IBM發(fā)表文章說“在未來的幾十年里,量子計(jì)算機(jī)很可能會(huì)走出科幻小說與科研實(shí)驗(yàn)室(主要在IBM)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。”

現(xiàn)在這句話已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí),并且只用了十幾年的時(shí)間。在本周三,IBM的科學(xué)家首次將該公司的量子計(jì)算機(jī)接入云端服務(wù)向大眾公開??萍嫉陌l(fā)展總是令人震驚不已。并且IBM希望幾年之內(nèi)就能開發(fā)出可用于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)芯片。目前,IBM還沒有正式公開量子計(jì)算服務(wù),但是有興趣的朋友可以登錄IBM Quantum申請(qǐng)?jiān)囉谩?/p>

IBM正在研發(fā)的是基于超導(dǎo)效應(yīng)的量子邏輯門架構(gòu)的通用量子計(jì)算機(jī)。對(duì)于量子計(jì)算機(jī),國內(nèi)媒體報(bào)道轉(zhuǎn)載的很多,不過大多基本停留在翻譯英文媒體的水平。而且互相轉(zhuǎn)發(fā),鮮有原創(chuàng)或者類似電子產(chǎn)品的試用評(píng)測(cè)。本文作者者恰好做過量子加密的研究和實(shí)驗(yàn),對(duì)于量子計(jì)算也有興趣,而且作者的專業(yè)之一光子學(xué)(Photonics)恰好也是量子加密/量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)途徑之一。

所以我們特約了一篇從淺入深,老少咸宜的科普介紹,來給大家解說量子計(jì)算機(jī)的原理,和普通計(jì)算機(jī)的區(qū)別,與咱們程序員有什么關(guān)系,并且作者還利用IBM的開放服務(wù)做了一些評(píng)測(cè)。希望沒有任何專業(yè)背景的讀者能從本文管窺全豹,同時(shí)對(duì)于擁有相關(guān)背景知識(shí)(主要是大學(xué)物理、量子力學(xué)和數(shù)字電路/模擬電路)的讀者也能有所收獲。

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)明歷史

史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”。1980年代一系列的研究使得量子計(jì)算機(jī)的理論變得豐富起來。在1981年五月的MIT物理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一次會(huì)議上,1918年出生的美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼,作了一個(gè)“Simulating Physics With Computers”的報(bào)告,揭開了研究發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的新篇章。

費(fèi)曼在報(bào)告中提出:經(jīng)典的圖靈計(jì)算機(jī)可以用來模擬量子物理嗎?答案是否定的,用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來模擬量子力學(xué),計(jì)算量將隨著系統(tǒng)(微觀粒子數(shù))的增大而指數(shù)增加。費(fèi)曼認(rèn)為微觀世界的本質(zhì)是量子的,想要模擬它,就得用和自然界的工作原理一樣的方式,也就是量子的方式才行。費(fèi)曼首先將物理學(xué)和計(jì)算機(jī)理論聯(lián)系到一起,他在MIT會(huì)上精彩的演講,使得計(jì)算機(jī)科學(xué)家開始關(guān)注物理學(xué)的進(jìn)展,關(guān)注量子力學(xué)。

1994年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾(Peter Shor)證明量子計(jì)算機(jī)能做出離散對(duì)數(shù)運(yùn)算,而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)電腦。

2011年5月11日,加拿大的D-Wave 系統(tǒng)公司發(fā)布了一款號(hào)稱“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”的計(jì)算設(shè)備“D-Wave One”。

2013年5月,谷歌和NASA在加利福尼亞的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室發(fā)布D-Wave Two。

什么是量子計(jì)算

量子計(jì)算是一門理論科學(xué)。它是研究如何直接應(yīng)用量子力學(xué)現(xiàn)象(例如量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài))對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的計(jì)算系統(tǒng)的科學(xué)。在最終的運(yùn)算結(jié)果上,量子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)沒有任何不同(否則一定是有一方算錯(cuò)了,那算錯(cuò)的一方也就沒有什么實(shí)用價(jià)值了)。它們最大的不同之處在于運(yùn)算的過程有著天壤之別,后文將會(huì)詳細(xì)解釋。 

量子計(jì)算模型,主要有3種:

● 量子電路模型

● 單向量子計(jì)算模型

● 絕熱量子計(jì)算模型

1. 量子電路模型

量子電路模型(Quantum circuit model)是把量子計(jì)算過程化成像經(jīng)典計(jì)算一樣有不同的“邏輯門”(當(dāng)然是quantum operation)作用在量子態(tài)上,最后得到所期待的量子態(tài)。

2. 單向量子計(jì)算模型  

單向量子計(jì)算模型 (one-way quantum computation model) 是把量子計(jì)算,化成通過傳輸(teleportatio)和測(cè)量二維簇態(tài)(two dimensional cluster state),使得我們可以得到我們想要的量子門操作(quantum gates)。

3. 絕熱量子計(jì)算模型

絕熱量子計(jì)算模型(adiabatic quantum computation model)是通過先把問題劃歸成復(fù)雜的漢密爾頓量的基態(tài)(Hamiltonian ground state)的問題(即找到基態(tài)就可以找到最終結(jié)果),然后開始與一個(gè)簡單的漢密爾頓量,通過絕熱過程最后得到所需要的基態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)越在哪里?

量子計(jì)算機(jī)造出來了,依然需要優(yōu)秀的算法。就像我們?nèi)粘K玫碾娮佑?jì)算機(jī)中的排序問題,寫得好的算法基本可以做到O(n*log(n))的時(shí)間復(fù)雜度,而差的算法很可能就是O(n^2)了。

舉一個(gè)非常實(shí)用的例子:快速傅立葉變換(FFT)在信號(hào)處理和圖像處理中是十分常見也非常有用的函數(shù)。它的時(shí)間復(fù)雜度是O(n*long(n))。借助量子計(jì)算機(jī),F(xiàn)FT 的復(fù)雜度可以降低到 O((log(n))^2),甚至連讀一遍數(shù)據(jù)的 O(n) 時(shí)間都不用,因?yàn)橹灰?log(n) 個(gè)量子比特就可以描述 n 維向量了。利用高性能的 FFT,因子分解的復(fù)雜度可以達(dá)到亞指數(shù)時(shí)間(sub-exponential time)。

目前量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)以可擴(kuò)展的方式,使用 Shor's Algorithm 完成了對(duì)15的素?cái)?shù)分解。有人表示:用 Shor 算法實(shí)現(xiàn)素?cái)?shù)分解這一件事情,可以與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的 "Hello World!" 相提并論。 除了贊嘆它的開創(chuàng)性地位之外,也從一個(gè)側(cè)面說明目前量子計(jì)算還處在起步階段。

量子算法與我們有什么關(guān)系?

量子算法的時(shí)間復(fù)雜度與大數(shù)據(jù)的關(guān)系:

有了上面的介紹,有心的讀者應(yīng)該已經(jīng)了然于胸了:數(shù)據(jù)量越大,量子算法在時(shí)間復(fù)雜度上的優(yōu)勢(shì)就越明顯:n=1000時(shí),O(n^2)的傳統(tǒng)算法需要運(yùn)算一百萬步,而O(n*log(n))稍好,也得幾千步。而量子計(jì)算只需要幾步就完成整個(gè)運(yùn)算拿到最終結(jié)果了。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代,n=10000000是家常便飯,那么上邊的對(duì)比就成了10^12 vs 10^6 vs 10^2,在耗時(shí)上的差距是幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

上面僅僅是以FFT為例子,實(shí)際上一旦找到實(shí)用的算法可以實(shí)現(xiàn)O(n)甚至O(1)的效率,那在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域里就可以給常規(guī)電子計(jì)算機(jī)畫上句號(hào)了。

懂得量子算法的程序員,就會(huì)和目前熟悉深度學(xué)習(xí)算法以及大數(shù)據(jù)架構(gòu)的程序員一樣,變得格外搶手。

所以現(xiàn)在投入必要的時(shí)間精力學(xué)習(xí)一點(diǎn)量子計(jì)算的知識(shí),是自我提高的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。而IBM量子體驗(yàn)的網(wǎng)站,正好也提供了這個(gè)平臺(tái)和機(jī)會(huì)。

量子算法的時(shí)間復(fù)雜度與云計(jì)算的關(guān)系:

量子算法對(duì)云存儲(chǔ)行業(yè),則多少會(huì)有些打擊。目前各個(gè)有能力的大國政府都在靜悄悄的研究量子計(jì)算以便即時(shí)破解重要的加密文件。而只要這個(gè)技術(shù)成熟可用,那么任何存儲(chǔ)在第三方的云數(shù)據(jù)都變得不安全了。因?yàn)槟呐率羌用艽鎯?chǔ),也可以在轉(zhuǎn)眼間被破解。

有了量子計(jì)算的威脅,用戶會(huì)更加保守的將敏感數(shù)據(jù)保存在只有自己能接觸到的物理環(huán)境,而不再會(huì)大大咧咧的加密上傳到第三方云存儲(chǔ)服務(wù)商。當(dāng)然,量子計(jì)算一定能同時(shí)帶動(dòng)加密技術(shù)的發(fā)展。但是目前來看這對(duì)矛與盾的較量,在政府大機(jī)構(gòu)的影響下,應(yīng)該是解密技術(shù)占上風(fēng)且更容易流入民用。量子加密技術(shù)則主要還是有政府機(jī)構(gòu)掌握。所以從一點(diǎn)來看,量子計(jì)算的出現(xiàn),對(duì)提供云存儲(chǔ)服務(wù)行業(yè)并不是一個(gè)利好消息。當(dāng)然,作為程序員,如果能理解甚至設(shè)計(jì)可靠的量子加密算法,也許很快就會(huì)成為IT業(yè)內(nèi)的搶手當(dāng)紅辣子雞,甚至被政府特工追殺也不是沒有可能。

量子計(jì)算的終極實(shí)現(xiàn)會(huì)是什么樣?

量子計(jì)算研究的終極目標(biāo)之一是制造并應(yīng)用通用量子計(jì)算機(jī)(Universal Quantum computer)。以當(dāng)前的設(shè)計(jì)構(gòu)想,至少要能夠處理上百量子比特位(qubit)才有意義,目前IBM開放的5-qubit計(jì)算服務(wù)離這一目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)。通用量子計(jì)算機(jī)的具體指標(biāo)可以參考《The Physical Implementation of Quantum Computation》(http://arxiv.org/abs/quant-ph?0002077 )

而硬件上的具體物理實(shí)現(xiàn)有很多,比如通過:

● 光子學(xué)

● 核磁共振

● QED腔

● 量子點(diǎn)

● Redberg atom

● ion trap

● Josephson junction

等等來實(shí)現(xiàn)。

較之D-wave量子計(jì)算機(jī),IBM牛在哪里?

比較出名的D-wave 1代和2代使用的都是Josephson junction 。

NASA、CIA、Google都購買了D-wave進(jìn)行相關(guān)研究。牛津大學(xué)則和洛克馬丁、諾基亞合建了一個(gè)基于D-wave模型的量子人工智能的研究中心。D-Wave受到質(zhì)疑的地方在于其應(yīng)用場景受限,目前的設(shè)計(jì)并不是通用量子計(jì)算機(jī)。

而IBM正在研發(fā)的是基于量子邏輯門的通用型量子計(jì)算機(jī),所以通用性沒有問題,所有的量子算法都能運(yùn)行。

此外,IBM還完成了兩個(gè)很重要的突破。

一是同時(shí)檢測(cè)兩種量子誤差(quantum errors):1. bit-flip, 2. phase-flip。從而大大增強(qiáng)量了子計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性。

最簡單的單個(gè)量子比特的狄拉克表示: |Psi>=a|0>+b|1> ,其中a,b是兩個(gè)基態(tài)的系數(shù)。其他量子比特基態(tài)對(duì)還有|+>和|->, |spin+>和|spin->等。所以也可記為|Psi>=a|+>+b|->或者|Psi>=a|spin+>+b|spin->,采用何種正交基主要取決于量子系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn),例如光子的偏振態(tài)、粒子的自旋等等,這里就不再深入。 

一個(gè)量子比特是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交比特0和1的任意疊加。a和b滿足歸一化條件即可,所以a和b之間有一個(gè)相位自由度。如果相位在量子計(jì)算過程中被干擾,這個(gè)flip就是就是phase-flip。 bit-flip就是運(yùn)算操作過程中0意外變成1,或者1意外變成0了。理想情況下,量子計(jì)算不會(huì)有誤差。 但實(shí)際上由于環(huán)境噪音(主要是熱和電磁輻射),量子系統(tǒng)會(huì)受到環(huán)境干擾。只有在零場強(qiáng)和絕對(duì)零度的環(huán)境里,才能有理想狀態(tài)下的量子計(jì)算。D-wave是在20mk(零下273.13度)工作的,IBM用的也是超導(dǎo)芯片,工作溫度是15mk(零下273.135度,僅比絕對(duì)零度-273.15度高0.015度)。

之前的研究只能測(cè)量兩個(gè)error中的一個(gè),也就無法做到EC(error correction)。如今IBM解決了這個(gè)問題(http://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/ibm-shows-first-full-error-detection-for-quantum-computers)。 

二是IBM提供了有史以來最好的可擴(kuò)展性。當(dāng)然落實(shí)在實(shí)際硬件開發(fā)應(yīng)該還會(huì)有新的問題。IBM接下來的目標(biāo)應(yīng)該是把量子比特加到50至100。再往后就需要更多的研發(fā)資源了。 

在這里附帶澄清一下很多媒體對(duì)量子比特的普遍誤解,以及連帶到對(duì)量子計(jì)算的誤解:對(duì)于量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì),媒體上常見的解釋是,相比較我們常用的電子計(jì)算機(jī)采用的0,1二進(jìn)制值,量子計(jì)算機(jī)每一個(gè)量子位都能存儲(chǔ)0到1之間的信息。這是一個(gè)想當(dāng)然的解釋,這根本不是量子計(jì)算機(jī)的本質(zhì)優(yōu)勢(shì):

因?yàn)楹苊黠@我們用電阻電容組成的模擬電路一樣可以表征0到1之間的任何連續(xù)值。所以說本質(zhì)區(qū)別不是比特位所攜帶數(shù)值的無窮可能性,而是比特信息的量子疊加態(tài)特性。對(duì)于多比特位的運(yùn)算,量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)才得以明顯體現(xiàn):所有的比特位可以同時(shí)完成邏輯運(yùn)算,這一點(diǎn)是傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)根本做不到的。

對(duì)于多比特位的量子系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)的量子比特位狀態(tài)是可定量預(yù)測(cè)的,而單個(gè)量子比特位是不能確定的。

舉一個(gè)簡單的例子來說明這種量子態(tài)的疊加關(guān)聯(lián)性——在IBM量子計(jì)算服務(wù)的教程里也用到的十分常見的Hadamard Gate:

Hadamard Gate的功能就是將輸入 α0|0?+α1|1?,轉(zhuǎn)換成輸出 2^{-1/2}(α0+α1)|0?+2^{-1/2}(α0-α1)|1? 。換言之,Hadamard Gate 就是把經(jīng)典的狀態(tài) |0? 和 |1? 轉(zhuǎn)換成 |0? 和 |1? 的“halfway" 狀態(tài)。

關(guān)鍵之處在于:這個(gè)操作,即使是僅對(duì) n 個(gè)量子比特中的第一位進(jìn)行Hadamard gate 運(yùn)算,所有的 2^{n} 個(gè)系數(shù)都會(huì)改變。這里的“并行”運(yùn)算是量子力學(xué)的物理本質(zhì)確保的,而不是很多媒體中不明就里的多核多設(shè)備的”并行/多線程“。

必須“冷酷”的量子計(jì)算機(jī)

回到IBM 量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室硬件,下面放了兩張從官方網(wǎng)站視頻中的截圖:

圖一是開放式稀釋冰箱( open dilution refrigerator)。冰箱底部的溫度最低,低到僅比絕對(duì)零度高15mK,以便維持芯片中超導(dǎo)材料的超導(dǎo)狀態(tài),用來處理量子信息 。

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

圖二 是冰箱的氣體處理系統(tǒng)。面板顯示的是閥門以及泵的開關(guān)情況。冰箱里使用的氣體是氦的同位素氦氣-3(Helium-3) 。

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

IBM開放的服務(wù)是什么?

看完這么多高大上高冷貴的東西,再來看看IBM為愛好者提供了什么試用服務(wù)。

下圖是申請(qǐng)到的試用帳號(hào),下面按照他們的教程(User Guide)嘗試的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

IBM量子在線體驗(yàn)含七個(gè)部分

第一部分(The IBM Quantum Experience)是面向所有人介紹世界上第一個(gè)基于云端的量子計(jì)算服務(wù)。

第二部分(The Weird and Wonderful World of the Qubit)是介紹基本的量子比特常識(shí)

第三部分(Multiple Qubits, Gates, and Entangled States)通過四個(gè)小課程演示多量子比特的復(fù)雜性和精巧之處。

第四部分(Quantum Algorithms)更深入的介紹量子世界的奇妙之處,介紹可用于編程的量子算法。

第五部分(Quantum Error Correction)介紹如何利用量子糾纏態(tài)糾錯(cuò)

第六部分(FAQ)就是常見問題的回答。

頁面右下端還有一個(gè)小蟲子的圖標(biāo),方便用戶反饋各種bu

IBM服務(wù)示例

IBM官方介紹視頻里用的是Grover's Search算法做例子,這里我就以Deutsch-Jozsa 算法再舉一個(gè)例子。畢竟這個(gè)例子的物理模型可以對(duì)應(yīng)于光學(xué)中雙縫干涉,看上去格外親切。

Deutsch-Jozsa Algorithm簡介

Deutsch-Jozsa 量子算法是第一個(gè)證明量子算法能繞過經(jīng)典算法困境的例子。這個(gè)算法演示允許量子振幅取正值和負(fù)值,而不像傳統(tǒng)的概率必須總是非負(fù)的。
Deutsch-Jozsa量子問題定義如下??紤]一個(gè)函數(shù)f(x)對(duì)輸入的n比特位x返回0或1。

假設(shè)我們確保f(x)或者是一個(gè)常數(shù)函數(shù),它的返回值是常數(shù)c,對(duì)所有輸入x有c∈{0,1},或者f(x)是平衡函數(shù),對(duì)任何0,1輸入他都取半值。我們的目標(biāo)是通過盡可能少的嘗試來確定f(x)到底是常數(shù)函數(shù)還是平衡函數(shù)。傳統(tǒng)算法在最壞情況下需要進(jìn)行2^(n-1) + 1次計(jì)算。而使用Deutsch-Jozsa量子算法,這個(gè)問題可以只用一次運(yùn)算來解答。

要了解Deutsch-Jozsa量子算法是如何工作的,讓我們先考慮一個(gè)典型的干涉實(shí)驗(yàn):其行為類似波的粒子,如光子,可以從源頭上檢測(cè)器陣列通過兩個(gè)或多個(gè)路徑行進(jìn)。觀察到粒子出現(xiàn)概率大的區(qū)域是入射波在到達(dá)時(shí)具有相同的相位的區(qū)域。

設(shè)想我們可以建立一個(gè)干擾實(shí)驗(yàn),具有2^n個(gè)探測(cè)器和從源到每個(gè)探測(cè)器的2^n個(gè)可能的路徑。我們將其分別標(biāo)記為n比特輸入x和n比特探測(cè)器y。進(jìn)一步假設(shè)x與探測(cè)器y沿路徑累積的相位等于C(-1)^(f(x)+x+y),其中

x?y=Σi= xiyi

是二進(jìn)制的內(nèi)積(點(diǎn)乘),C是歸一化系數(shù)。觀察檢測(cè)器y中的粒子出現(xiàn)的概率可以通過累加所有路徑的幅值x到達(dá)y時(shí)的絕對(duì)值平方來計(jì)算:

PR(y)= |CΣx(-1)^(f(x)+x?y)| ^2

歸一化條件ΣyPr(y)= 1,則使C = 2^(-n)。接下來計(jì)算檢測(cè)器Y = 0^N觀察粒子的概率譜(Y = 0^n)(全零字符串)。我們有Pr(Y = 0^n)= | 2^(-n)Σ(-1)f(x)|^ 2

如果函數(shù)f(x)= c是常數(shù)函數(shù),我們將得到譜Pr(Yy= 0^n)= |(-1)^c |^ 2 = 1。而當(dāng)f(x)是一個(gè)平衡函數(shù)時(shí),我們會(huì)得到Pr(y = 0^n)= 0,因?yàn)樗械目偤统^x的項(xiàng)彼此抵消。

因此,我們可以只用一次實(shí)驗(yàn)判斷是否f(x)是常數(shù)還是平衡函數(shù)。

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

當(dāng)然,以光學(xué)手段進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)不太實(shí)際,因?yàn)樗枰粋€(gè)非常大的光學(xué)平臺(tái)!但是,我們可以用量子計(jì)算機(jī)模擬這個(gè)實(shí)驗(yàn),僅用n量子比特和訪問Oracle電路Uf就能實(shí)現(xiàn)。

事實(shí)上,考慮下面的算法:

第1步:初始化n的全零狀態(tài)量子比特| 0,...,0>。

第2步 應(yīng)用Hagamard門H至每個(gè)量子位。

第3步. 應(yīng)用Oracle電路Uf。

第4步:重復(fù)步驟2。

第5步:測(cè)量每個(gè)量子位。設(shè)y =(y1,...,yn)是測(cè)量結(jié)果的列表。

如果f是一個(gè)常數(shù)函數(shù),那么將會(huì)觀測(cè)到y(tǒng)是全零字符串。Hagamard門將輸入|0>映射到均勻疊加的|0>和|1>。 第二步之后系統(tǒng)的狀態(tài)是2^(-n/2)Σ|x>。

接著Oracle電路將此狀態(tài)映射到2^(-n /2)Σ(-1)^f(x)|x>。第4步再次應(yīng)用Hadamards門,它將基態(tài)|x>映射到一個(gè)疊加態(tài)2^(-n/2)Σ(-1)^(xy)|y>。第4步完成后系統(tǒng)的狀態(tài)是|ψ>=Σψ(y)|y>,其中ψ(y)= 2^(-n)Σ(-1)^(f(x)+x?y)。
這正是我們需要的干擾實(shí)驗(yàn)。

在步驟5的測(cè)量起著檢測(cè)粒子的作用。如上結(jié)果表明,如果概率y=0^n值為1,則f是一個(gè)常數(shù)函數(shù)。為零,則f是一個(gè)平衡函數(shù)。因此,我們只通過一次運(yùn)算就解決了Deutsch-Jozsa量子問題的確切解答。

量子線路設(shè)計(jì)

拉拉雜雜扯這么多,沒有量子力學(xué)基礎(chǔ)的讀者可能有點(diǎn)暈。那么下面就是實(shí)際量子線路的設(shè)計(jì):

一 n=3,函數(shù)為常數(shù)函數(shù)時(shí)的模擬:

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

結(jié)果跟理論分析預(yù)測(cè)的是一樣的,即輸出為1

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

二 n=3,函數(shù)為平衡函數(shù)時(shí)的模擬:

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

輸出跟理論分析預(yù)測(cè)的是一樣的,即輸出為0

專治不明覺厲:深度解密IBM黑科技量子計(jì)算機(jī)

牛人對(duì)IBM量子計(jì)算的評(píng)價(jià)

從外界的評(píng)價(jià)來看:“……IBM所做的是對(duì)的。該服務(wù)的界面易于使用,“任何對(duì)量子計(jì)算機(jī)有所了解的學(xué)生都知道如何與這個(gè)設(shè)備交互?!?/p>

Cory周末對(duì)IBM這個(gè)新服務(wù)進(jìn)行了試用,讓他吃驚的是:這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定——每一次測(cè)試它幾乎都得到了相同的結(jié)果。這在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中是個(gè)尋常的現(xiàn)象,但在基本都是圍繞捕獲概率展開的量子計(jì)算機(jī)世界中,結(jié)果的穩(wěn)定一致就意味著標(biāo)志性的進(jìn)步。 ”

IBM的確用他的量子計(jì)算平臺(tái)證明了他的突破之一:對(duì)雙誤差同時(shí)測(cè)量來大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外能對(duì)公眾開放5qubit的平臺(tái),也給大家留下了想象的空間——IBM到底能在短期內(nèi)將qubit推進(jìn)到多少位?

總結(jié):

IBM提供的這個(gè)平臺(tái),看上去是為自己的研發(fā)成果和企業(yè)品牌打廣告,事實(shí)也的確起到了廣而告之的作用。

但是如果你真的認(rèn)為就只有這么點(diǎn)兒信息,那說明你還沒有親自嘗試網(wǎng)頁上的各種量子計(jì)算和算法。

如果你稍有嘗試,應(yīng)該不難發(fā)現(xiàn),IBM提供的其實(shí)是一個(gè)雙向?qū)W習(xí)的平臺(tái):嘗試用戶可以從中學(xué)習(xí)了解量子計(jì)算的各項(xiàng)基本知識(shí)和常見算法,IBM則可以從中統(tǒng)計(jì)用戶的大致認(rèn)知水平。

既然每個(gè)用戶都是用郵箱注冊(cè),又在平臺(tái)上擺弄了一番。IBM的研究團(tuán)隊(duì)也會(huì)從試用用戶中發(fā)現(xiàn)具備相關(guān)背景知識(shí)、能熟練實(shí)用的“高級(jí)用戶”,說不定這些用戶在不久就能從注冊(cè)郵箱收到IBM的招聘挖人郵件呢——這只是yy而已,不過既然人家免費(fèi)提供了這個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái),為什么不利用閑暇時(shí)間了解學(xué)習(xí)一下,提高一下作為程序員的未來職業(yè)素養(yǎng)呢。

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