量子计算的基本原理
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量子并行计算的基础在于,一个存储单元能够同时记录0和1两个数字,存储性能更强。经典计算机里面,每一个存储单元叫做比特(bit),只能存储一个数字,0或者1中的任意一个(二进制的两个数字)。具体而言,用不同的电压来分别表示0和1两种信号,比如用低电压信号代表0,1代表高电压信号。在经典世界中,我们只能同时拥有一个状态。比如,如果我们存储了001,我们就不能同时存储010,这是因为两个信号的电压会叠加,如果同时拥有这两个信号,我们只能够得到011。而量子计算机中,每一个存储单元叫做量子比特(q-bit),可以存储基本状态是两种状态的叠加,也就是以一定组合的形式,同时存储0和1。
量子计算的存储单元


在量子世界中,很多天然的量子系统可以实现这种量子存储。以光为例(光具有波粒二象性,这里主要讨论波的特性),光在传播过程中,波会沿着两个方向振动:水平振动、竖直振动。如果水平振动叫做1,竖直振动叫做0,那么光波会沿着45度振动就对应着0和1这两种状态的叠加。当然,光波也可以只沿水平振动(代表只存储1)或者垂直振动(代表只存储0)。可以说,量子比特最大的特点是可以同时存储0和1。其他载体还可以包括:质子的核磁共振(自旋方向的不同代表0或1),电子的不同自旋方向等。
量子计算的存储器可以同时存储多个数字。对于一个量子比特,它可以存储一位二进制数字(长度为1),但它能同时存储两个数(二进制数字0和1)。当有两个量子比特在一起时,这个存储器可以理解为包含了四种传统的态(也称基本态):00、01、10、11。物理学家把两个量子比特组成的量子态称为这四个基本态的组合,也就是这两个量子比特可以同时存储00、01、10、11四个数字,每个数字的长度都是2。因此,定义一个N位量子寄存器为N个量子比特的有序集合,那么他的叠加态就有2^N个的基本态,每个基本态的长度都为N。比如,对于一个3量子比特构成的量子存储器,它包含了8个基本态000、001、010、011、100、101、110和111。而这些状态以某种概率的组合在一起,所以存储器可以同时保存8个数字。
量子计算的存储能力示意图

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