50個(gè)關(guān)鍵詞，帶你全面了解量子計(jì)算

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式，它是以量子比特作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元，通過(guò)大量量子比特的受控演化來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。 以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的信息處理技術(shù)的發(fā)展有望引發(fā)新的技術(shù)革命，為大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成等許多領(lǐng)域的研究，提供前所未有的強(qiáng)力手段，對(duì)未來(lái)社會(huì)的科技、經(jīng)濟(jì)、金融，以及國(guó)防安全等產(chǎn)生革命性的影響。

本文以詞條形式主要介紹量子計(jì)算相關(guān)的術(shù)語(yǔ)，讓你對(duì)量子計(jì)算有個(gè)快速簡(jiǎn)單的總覽。

量子計(jì)算的理論依據(jù)

疊加態(tài)Superposition 疊加態(tài)原理，是量子力學(xué)中的一個(gè)基本原理，它廣泛應(yīng)用于量子力學(xué)各個(gè)方面，“薛定諤的貓”就是用來(lái)描述疊加態(tài)的經(jīng)典比喻。在經(jīng)典物理中，粒子任何時(shí)刻的狀態(tài)都是空間中一個(gè)固定的點(diǎn)。在量子力學(xué)中，粒子可以不處于一個(gè)固定的狀態(tài)（上或下），而是同時(shí)處于兩種狀態(tài)的疊加（上和下）。

量子糾纏

QuantumEntanglement

量子糾纏，它描述了粒子量子態(tài)之間的高度關(guān)聯(lián)，這樣的“關(guān)聯(lián)”可以是多種形式，比如自旋態(tài)總是相反，或總是相同，或者是既可能相反也可能相同，但相反的可能性比相同大。只要兩個(gè)粒子相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成疊加態(tài)，它們就會(huì)“互相糾纏”在一起，即使在兩個(gè)粒子分開(kāi)到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)距離的情況下，它們能瞬間互相影響的“糾纏”照樣存在。這種關(guān)聯(lián)是經(jīng)典粒子對(duì)沒(méi)有的，是僅發(fā)生于量子系統(tǒng)中的獨(dú)特現(xiàn)象。

量子測(cè)量

Measurement

量子測(cè)量是觀察量子態(tài)的行為，這種觀察將產(chǎn)生一些經(jīng)典信息，該測(cè)量過(guò)程將改變量子態(tài)。例如狀態(tài)處于疊加狀態(tài)，則測(cè)量會(huì)將其“折疊”為經(jīng)典狀態(tài)（0或1），坍縮過(guò)程是隨機(jī)發(fā)生的。在進(jìn)行測(cè)量之前，無(wú)法知道結(jié)果如何，但是可以計(jì)算每個(gè)結(jié)果的概率，這個(gè)概率是對(duì)量子狀態(tài)的一種預(yù)測(cè)，可以通過(guò)多次準(zhǔn)備狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量然后計(jì)算每個(gè)結(jié)果的概率來(lái)測(cè)試該預(yù)測(cè)。

量子隧穿

Quantum Tunneling

量子隧穿是一種量子力學(xué)效應(yīng)，指的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學(xué)里，這是不可能發(fā)生的，但使用量子力學(xué)理論卻可以給出合理解釋。在量子力學(xué)中，波函數(shù)表示粒子在特定位置的概率，這表明粒子存在位于障礙物另一側(cè)的概率。

貝爾不等式

Bell’s Inequality 最初的貝爾不等式是由愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)現(xiàn)的，其他不等式現(xiàn)象后來(lái)被其他研究人員發(fā)現(xiàn)，貝爾的所有不等式加在一起便構(gòu)成了貝爾定理。

貝爾證明了該術(shù)語(yǔ)的經(jīng)典定義中的世界不符合當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)實(shí)主義?！氨镜亍币馕吨鴮?duì)象只能受到其周圍環(huán)境的影響。從物理學(xué)的意義上講，“現(xiàn)實(shí)主義”是指物體的性質(zhì)在某人測(cè)量（甚至被測(cè)量）之前和之后都存在于人的思想之外。

經(jīng)典力學(xué)說(shuō)，在測(cè)量之前和之后，粒子具有真實(shí)的（確定的）值，取兩個(gè)相撞并相距很遠(yuǎn)的粒子，一個(gè)人對(duì)另一個(gè)人的任何影響都必須立即通過(guò)“場(chǎng)”傳達(dá)出來(lái)（但絕不能比光速快）。

貝爾不等式是涉及光子自旋的理論實(shí)驗(yàn)中的一系列測(cè)量，通過(guò)方向不同的檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。不平等是指這樣一個(gè)事實(shí)，即如果世界表現(xiàn)出局部真實(shí)性，則一組光子測(cè)量結(jié)果將大于另一組。然而事實(shí)并非如此，這意味著物理世界受量子力學(xué)理論支配，量子糾纏的啟示僅證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

不可克隆性

No-Cloning Theorem

由于量子力學(xué)的態(tài)疊加原理和系統(tǒng)態(tài)的演化遵從幺正變換，使得任何量子體系的任意未知量子態(tài)無(wú)法被完全復(fù)制。即無(wú)法在不破壞原來(lái)未知態(tài)的情況下對(duì)之

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)

Bose-Einstein Condensate

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是超冷原子云，華盛頓州立大學(xué)的研究員彼得·恩格斯（Peter Engels）解釋說(shuō)：“這一大原子團(tuán)的行為不像桶中的一堆球。它的行為就像一個(gè)大的超級(jí)原子。因此，它放大了量子力學(xué)的作用。”從理論上講，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物（BEC）可以充當(dāng)穩(wěn)定的量子比特。

布洛赫球

Bloch Sphere

在量子力學(xué)中，布洛赫球是二級(jí)量子力學(xué)系統(tǒng)（量子比特）的純態(tài)空間的幾何表示，以物理學(xué)家Felix Bloch命名。布洛赫球是一個(gè)單位球，其對(duì)映點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一對(duì)相互正交的狀態(tài)向量。布洛赫球提供了以下解釋：極點(diǎn)代表經(jīng)典位，我們使用符號(hào)|0?和|1?。然而，盡管這些是經(jīng)典位表示的唯一可能狀態(tài)，但量子比特覆蓋了整個(gè)球體。因此，量子比特中包含了更多的信息，布洛赫球?qū)Υ诉M(jìn)行了描述。當(dāng)量子比特被測(cè)量時(shí)，它坍塌到兩個(gè)極點(diǎn)之一。這兩個(gè)極點(diǎn)中的哪一個(gè)取決于布洛赫表示中的箭頭指向哪個(gè)方向：如果箭頭更靠近北極，則更有可能塌陷到北極；南極也一樣。應(yīng)當(dāng)注意，這將概率的概念引入了布洛赫球體：箭頭與垂直軸的角度θ對(duì)應(yīng)于該概率。如果箭頭指向赤道，則任一極都可能塌陷50-50。

馬約拉納費(fèi)米子

Majorana Fermions 形成物質(zhì)的基本粒子（“費(fèi)米子”）由保羅·狄拉克（Paul Dirac）于1928年提出的方程式Dirac方程來(lái)描述，這意味著宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)反粒子，其質(zhì)量相同但電荷相反。1932年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)反粒子，與電子結(jié)合的正電子。電子和其他基本粒子具有不同的反粒子，它們通過(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，在物理學(xué)中，它們被稱為“狄拉克費(fèi)米子”。

1937年，意大利物理學(xué)家埃托爾·馬若拉納（Ettore Majorana）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更通用的方程式（Majorana Equation），該方程式預(yù)測(cè)了中性費(fèi)米子的存在（不帶電荷）是它們自己的反粒子。Majorana費(fèi)米子是特殊的粒子，因?yàn)樗鼈儾皇峭ㄟ^(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量而是與其自身相互作用而獲得質(zhì)量，因此它們是自己的反粒子。

自旋

Spin 自旋有時(shí)稱為“核自旋”或“本征自旋”，這是基本粒子、復(fù)合粒子（強(qiáng)子）和原子核所攜帶的角動(dòng)量的量子形式。旋轉(zhuǎn)與實(shí)際旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，物理學(xué)家使用“自旋”或“內(nèi)在自旋”一詞來(lái)區(qū)分粒子“有點(diǎn)”具有的角動(dòng)量和物理旋轉(zhuǎn)物體的規(guī)則角動(dòng)量。 量子算法

量子算法

Quantum Algorithm

算法是指令的集合，允許計(jì)算函數(shù)，例如數(shù)字的平方。一個(gè)量子算法允許指令進(jìn)行疊加，并創(chuàng)建糾纏，這使得量子算法可以完成某些常規(guī)算法無(wú)法完成的事情。

大數(shù)因子分解的Shor量子算法

Shor's quantum algorithm for large number factorization

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)科學(xué)家SHORP發(fā)表了一種快速進(jìn)行因數(shù)分解的方法，算法利用量子計(jì)算的并行性，對(duì)任意大的整數(shù)快速做因數(shù)分解，大大降低了當(dāng)前普遍使用的RSA公開(kāi)密鑰加密技術(shù)的破解時(shí)間。Shor算法包含兩個(gè)部分：一個(gè)以傳統(tǒng)的電腦運(yùn)作的簡(jiǎn)化算法，將因子分解簡(jiǎn)化成搜尋目的問(wèn)題，使用輾轉(zhuǎn)相除法計(jì)算gcd(a，N)；一個(gè)量子算法，解決搜尋目的問(wèn)題。

Grover算法

Grover Algorithm

1996年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Grover提出一種通用的搜索破譯算法，其計(jì)算復(fù)雜度為O()．對(duì)于密碼破譯來(lái)說(shuō)，這一算法的作用相當(dāng)于把密碼的密鑰長(zhǎng)度減少到原來(lái)的一半。Grover算法已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有密碼構(gòu)成很大的威脅，但是并未構(gòu)成本質(zhì)的威脅，因?yàn)橹灰衙荑€加長(zhǎng)1倍就可以了。

量子隨機(jī)游走Quantum Random Walk

隨機(jī)游走以及馬氏鏈?zhǔn)且环N非常強(qiáng)大的經(jīng)典算法設(shè)計(jì)技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用到搜索問(wèn)題、采樣問(wèn)題以及近似估計(jì)。同樣地，量子隨機(jī)游走也為量子算法設(shè)計(jì)提供了一種一般化的框架。與經(jīng)典的隨機(jī)游走不同，給定了一個(gè)圖結(jié)構(gòu)，量子隨機(jī)游走算法按照量子的機(jī)制(酉變換)在圖結(jié)構(gòu)上模擬粒子的行為。相比于經(jīng)典隨機(jī)游走，量子隨機(jī)游走一般具有更快的首達(dá)時(shí)間。對(duì)于一些特殊的圖，量子隨機(jī)游走的首達(dá)時(shí)間可以比經(jīng)典隨機(jī)游走的首達(dá)時(shí)間指數(shù)量級(jí)的小。另外量子隨機(jī)游走有著更快的混合時(shí)間。

求解線性方程組的量子算法

Quantum Algorithm for linear systems of equations

解線性方程組是一個(gè)基本的數(shù)學(xué)問(wèn)題，在工程等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。2008年Harrow等提出了一種可以在對(duì)數(shù)時(shí)間內(nèi)求解線性方程組的量子算法(HHL算法)。學(xué)者們已經(jīng)將HHL算法推廣到機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，另外HHL算法還可應(yīng)用于有限元方法，2013年Clader等提出了一種利用HHL算法解決電磁散射問(wèn)題的有限元方法。

絕熱優(yōu)化算法Adiabatic Quantum Optimization

絕熱優(yōu)化是指采用絕熱計(jì)算的方法來(lái)求解最大約束滿足問(wèn)題。Farhi等提出了使用絕熱計(jì)算來(lái)求解最大約束滿足問(wèn)題的算法:系統(tǒng)先制備一個(gè)簡(jiǎn)單的Hamilton量并使其處于基態(tài)，然后緩慢地讓系統(tǒng)進(jìn)行絕熱演化，使其演化為一個(gè)復(fù)雜的Hamilton量，這個(gè)Hamilton量的基態(tài)編碼了最大約束滿足問(wèn)題的解。如果這個(gè)演化過(guò)程進(jìn)行得足夠慢，那么量子絕熱定理就能保證系統(tǒng)一直處于基態(tài)，最后的狀態(tài)也一定就是優(yōu)化問(wèn)題的解。

量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)

DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)

DiVincenzo Criteria

DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的必要條件，他們首先由理論物理學(xué)家David DiVincenzo在2000年提出“量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)”。DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)由實(shí)驗(yàn)設(shè)置必須滿足5+2個(gè)條件組成，才能成功實(shí)現(xiàn)量子算法，例如Grover的搜索算法或Shor因式分解。實(shí)現(xiàn)量子通信需要兩個(gè)附加條件，例如量子密鑰分發(fā)中使用的條件。

1. 具有特征明確的量子比特的可擴(kuò)展物理系統(tǒng)。

2. 將量子比特的狀態(tài)初始化為簡(jiǎn)單基準(zhǔn)狀態(tài)的能力。

3. 較長(zhǎng)的相關(guān)退相干時(shí)間。

4. 一組“通用”量子門。

5. 特定于量子比特的測(cè)量功能。

6. 交換固定和飛行量子比特的能力。

7. 在指定位置之間忠實(shí)傳輸飛行量子比特的能力。

超導(dǎo)量子計(jì)算

Superconducting Quantum Computation 超導(dǎo)量子計(jì)算的核心單元是一種“超導(dǎo)體－絕緣體－超導(dǎo)體”三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)電子器件，其中間絕緣層的厚度不超過(guò)10nm，形成一個(gè)勢(shì)壘，庫(kù)珀對(duì)能夠隧穿該勢(shì)壘形成超導(dǎo)電流。

與天然的量子體系相比，超導(dǎo)量子電路的能級(jí)結(jié)構(gòu)可通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行定制，或通過(guò)外加電磁信號(hào)進(jìn)行調(diào)控。而且，基于現(xiàn)有的集成電路工藝，約瑟夫森量子電路還具有天然量子體系無(wú)法比擬的可擴(kuò)展性。這些優(yōu)點(diǎn)使超導(dǎo)量子電路成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算最有前景的物理方案之一。超導(dǎo)量子計(jì)算存在的主要問(wèn)題是固體體系中大量不易操控的自由度給約瑟夫森量子電路帶來(lái)強(qiáng)烈的消相干，其中最典型的消相干過(guò)程是由具有低頻特性的電荷型或磁通型偏置噪聲所導(dǎo)致的退相干。

離子阱量子計(jì)算

Trapped Ion Quantum Computation 1995年，Cirac和Zoller首次提出在線性離子阱體系中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，并于同年在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了該方案。在該體系中，Qubit是束縛在線性離子阱中單個(gè)離子的兩個(gè)內(nèi)能級(jí)。單Qubit的幺正變換可以通過(guò)尋址激光束與單個(gè)離子的共振相互作用來(lái)完成，2個(gè)Qubit的受控幺正變換需要利用失諧的激光束先后照射兩個(gè)需要相互作用的離子，借助與整體離子串的聲子相互作用來(lái)完成。

離子阱方案的主要優(yōu)點(diǎn)是阱中的超冷離子處于一個(gè)幾乎與外界隔絕的空間中，由環(huán)境引起的消相干效應(yīng)非常小，因此使得量子計(jì)算的并行度較高，離子阱作為實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)力候選被廣泛關(guān)注；其主要缺點(diǎn)是時(shí)鐘速度太慢，用數(shù)目極大的激光束脈沖操作各個(gè)離子執(zhí)行邏輯運(yùn)算時(shí)，運(yùn)算速度難以提高。

量子點(diǎn)量子計(jì)算

Quantum Dot Computation 量子點(diǎn)量子計(jì)算使用半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的電子自旋作為量子比特。量子點(diǎn)是一種有著三維量子強(qiáng)束縛的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中電子的能級(jí)是分立的，類似于電子在原子中的能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此被稱為“人造原子”。量子比特編碼在電子的自旋態(tài)上，使用微波脈沖或者純電學(xué)的方法進(jìn)行單量子比特操控，兩量子比特邏輯門可以通過(guò)半導(dǎo)體腔引入的相互作用或者相鄰量子點(diǎn)之間的電偶極相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

量子點(diǎn)方案的優(yōu)點(diǎn)則是量子位可以是嵌套在固體材料中的固態(tài)量子器件，這與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)相似。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的候選方案。同時(shí)，由于與當(dāng)前半導(dǎo)體工藝的良好兼容性，半導(dǎo)體量子點(diǎn)也成為量子計(jì)算研究領(lǐng)域發(fā)展最快的分支之一。另一方面半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系受周邊環(huán)境的影響比較嚴(yán)重，控制其退相干，維持其量子相干狀態(tài)遇到了更大的挑戰(zhàn)。

拓?fù)淞孔佑?jì)算

Topological Quantum Computation

拓?fù)淞孔佑?jì)算建立在全新的計(jì)算思路之上，應(yīng)用任意子的交換相位，交換過(guò)程的“編辮”程序?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算的信息處理。拓?fù)鋵W(xué)研究幾何形象在幾何元素的連續(xù)變形下保持變的性質(zhì)。如果構(gòu)成量子比特的元素是拓?fù)洳蛔兊?，基于這些量子比特的運(yùn)算結(jié)果也具有拓?fù)洳蛔冃浴Ｓ纱藰?gòu)造的量子計(jì)算對(duì)環(huán)境干擾、噪音、雜質(zhì)有很大的抵抗能力。但拓?fù)淞孔佑?jì)算尚停留在理論層面，實(shí)際上還未把這些理論付諸成器件化的現(xiàn)實(shí)。

核磁共振量子計(jì)算

NMR Quantum Computation 核磁共振量子計(jì)算使用核的自旋態(tài)作為量子比特。根據(jù)樣品的不同，它分為液體核磁共振量子計(jì)算和固體核磁共振量子計(jì)算。液體核磁共振使用溶于液體的分子上的核自旋作為量子比特通過(guò)共振頻率的不同來(lái)區(qū)分量子比特。使用與核自旋共振的射頻脈沖操控量子比特，核自旋之間的交換相互作用用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子比特間的糾纏和兩量子比特邏輯門。

由于環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，核自旋擁有較長(zhǎng)的退相干時(shí)間。基于核磁共振的量子調(diào)控技術(shù)也是相對(duì)比較成熟的技術(shù)?；谶@些優(yōu)勢(shì)，液體核磁共振量子計(jì)算是目前所有實(shí)驗(yàn)物理體系中進(jìn)展最好的，并且成為了驗(yàn)證量子計(jì)算原理和各種模型的絕佳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

光量子計(jì)算

Optical Quantum Computation 量子比特的光子實(shí)現(xiàn)在量子信息科學(xué)中扮演著重要的角色，除了在量子密碼和量子通信中非常成功的應(yīng)用之外，光子量子計(jì)算也是最初實(shí)現(xiàn)多粒子糾纏，量子態(tài)的制備，簡(jiǎn)單量子算法的物理系統(tǒng)之一。光子所具有的巨大的優(yōu)點(diǎn)在于它沒(méi)有退相干，并且我們可以精確的控制和操縱它。光子量子計(jì)算吸引人們的另一點(diǎn)是它可以與各種量子通信的應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起，比如可以用它來(lái)做分布式量子計(jì)算。 量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)成

量子比特

Qubit 在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的1個(gè)位來(lái)表示，它不是處于“0”態(tài)就是處于“1”態(tài)。在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子比特(qubit)，它除了處于“0”態(tài)或“1”態(tài)外，還可處于疊加態(tài)(superposedstate)。疊加態(tài)是“0”態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“0”態(tài)又可以是“1”態(tài)，“0”態(tài)和“1”態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子比特就是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子（原子）的兩個(gè)能級(jí)等都可構(gòu)成量子比特的兩個(gè)狀態(tài)。

Transmon

Transmon是一種超導(dǎo)環(huán)形量子比特，可以在極低的溫度下創(chuàng)建，目前最多可以將其中五個(gè)鏈接在一起。標(biāo)準(zhǔn)的transmon可以保持大約50微秒的相干性，可以在量子電路中使用。更重要的是，相干時(shí)間是長(zhǎng)度的兩倍，transmon數(shù)組包含10到20個(gè)循環(huán)。

Xmon

Xmon是由加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的十字形量子比特。研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將五個(gè)Xmon放在同一行中，他們能夠創(chuàng)建穩(wěn)定有效的量子排列，從而提供最大的穩(wěn)定性和最少的誤差。像大多數(shù)其他量子比特一樣，必須在接近絕對(duì)零的溫度下創(chuàng)建Xmon。

拓?fù)淞孔颖忍?/p>

Topological Qubit

量子比特非常挑剔，即便是最輕微的擾亂，它們也會(huì)“散開(kāi)”，不再可用于計(jì)算。引入拓?fù)淞孔颖忍馗拍睿蛊涓臃€(wěn)定，且能提供更多固有的防錯(cuò)能力。根據(jù)定義，粒子的拓?fù)錉顟B(tài)就是粒子可被分解、并出現(xiàn)在系統(tǒng)不同地方的狀態(tài)。一旦粒子被分解，就很難被干擾，因?yàn)楸仨毟淖兯写鎯?chǔ)在不同地方的信息。

量子寄存器

Quantum Register

n個(gè)量子位的有序集合稱為n位量子寄存器。它的態(tài)是n個(gè)量子位的態(tài)的張量積(tensor product)。n位量子寄存器可以存儲(chǔ)2n個(gè)n位數(shù)。

量子邏輯門

Quantum Logical Gates

對(duì)量子位的態(tài)進(jìn)行變換，可以實(shí)現(xiàn)某些邏輯功能。變換所起的作用相當(dāng)于邏輯門所起的作用，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)邏輯變換的量子裝置稱為量子邏輯門。與傳統(tǒng)邏輯門不同，量子邏輯門是可逆的。量子邏輯門是量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，可用下列方法實(shí)現(xiàn)：

(1)量子點(diǎn)系統(tǒng)；

(2)超導(dǎo)約瑟夫森（Josephson）結(jié)系統(tǒng)；

(3)核磁共振量子系統(tǒng)；

(4)離子阱系統(tǒng)；

(5)腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等。

量子邏輯網(wǎng)

Quantum Logical Nets

量子邏輯網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)量子邏輯門組成，這些量子邏輯門的操作在時(shí)間上同步。

隨機(jī)基準(zhǔn)

Randomized Benchmarking

一種用于確定一組量子門的平均錯(cuò)誤率的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這涉及到應(yīng)用隨機(jī)電路，如果門無(wú)法正常工作，將產(chǎn)生零影響。基準(zhǔn)測(cè)試是評(píng)估多量子比特量子計(jì)算機(jī)性能的重要程序。

量子存儲(chǔ)狀態(tài)

Quantum Memory State

量子存儲(chǔ)狀態(tài)是量子位在其中維持大量狀態(tài)以在量子計(jì)算中具有價(jià)值的狀態(tài)。迄今為止，這些狀態(tài)已被證明是非常脆弱的，因?yàn)樵诹孔蛹?jí)的最小干擾就可以破壞它們。因此，大多數(shù)使用量子比特的實(shí)驗(yàn)都要求將粒子冷卻到接近零的絕對(duì)值。

量子程序

Quantum Programs

量子程序的邏輯體系一般由“經(jīng)典控制部分+量子數(shù)據(jù)部分”構(gòu)成。量子程序的計(jì)算操作一般由以下三部分組成：

（1）一個(gè)初化操作，包括量子變量數(shù)據(jù)的初化； （2）一系列的酉變換；

（3）一個(gè)最終的測(cè)量。

量子計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)

The organization of a quantum computer

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程由算法決定，不同的算法有不同的幺正變換。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程可由常規(guī)計(jì)算機(jī)控制，由于量子計(jì)算的測(cè)量結(jié)果是概率性的，需要計(jì)算和測(cè)量多次，才能得到所需結(jié)果。量子并行是量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)于串行計(jì)算及迭代運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)不具備優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算機(jī)適合于作為常規(guī)的通用計(jì)算機(jī)的高速協(xié)處理器或外圍專用處理機(jī)，或?qū)ｉT為實(shí)現(xiàn)某種量子算法或模擬某種量子系統(tǒng)的專用計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的程序語(yǔ)言

The programming language of a quantum computer

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似，為便于控制并通用量子計(jì)算機(jī)，必須通過(guò)量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述待解決問(wèn)題，因此量子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將作為未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)上的一種重要系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)有量子算法一般固化于專用量子計(jì)算設(shè)備中，如果需要改變量子算法就必須重新設(shè)計(jì)量子計(jì)算設(shè)備，實(shí)際上，這就相當(dāng)于一臺(tái)求解特定具體問(wèn)題（不是一類特定問(wèn)題）的專用計(jì)算設(shè)備。

量子模擬器

Quantum Simulator

量子模擬在很大程度上起源于理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）的1982年的提議，現(xiàn)已發(fā)展成為科學(xué)家使用可控量子系統(tǒng)研究在實(shí)驗(yàn)上不太可行的量子現(xiàn)象的領(lǐng)域。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)在尚不存在完整的量子計(jì)算機(jī)，并且經(jīng)典計(jì)算機(jī)通常無(wú)法解決量子問(wèn)題，因此“量子模擬器”提供了一種吸引人的替代方法，可以深入了解例如復(fù)雜的材料特性。

通用量子計(jì)算機(jī)

Universal Quantum Computer 量子圖靈機(jī)（QTM），也是一種通用量子計(jì)算機(jī)，是用于量子計(jì)算機(jī)的效果進(jìn)行建模抽象機(jī)。它提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型，可以捕獲量子計(jì)算的所有功能。任何量子算法都可以形式上表示為特定的量子圖靈機(jī)。牛津大學(xué)物理學(xué)家戴維·德意志（David Deutsch）在1985年的一篇文章中首次提出了這樣的圖靈機(jī)，該論文提出量子門的功能可以與傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算二進(jìn)制邏輯門類似。量子圖靈機(jī)并不總是用于分析量子計(jì)算。量子電路是更常見(jiàn)的模型，這些模型在計(jì)算上是等效的。 量子計(jì)算機(jī)的分類

當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)可大致分為三類：量子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計(jì)算、容錯(cuò)型通用量子計(jì)算。

量子退火Quantum Annealing

絕熱量子計(jì)算機(jī)中用于解決優(yōu)化和采樣問(wèn)題的算法。它通過(guò)允許量子系統(tǒng)找到其最低能量狀態(tài)而起作用。在數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況下，量子比特位于最低的能量峰值上。這些都將量子比特控制和降低到零，最終得到了解決方案。

NISQ

NISQ是“Noisy Intermediate-Scale Quantum”的縮寫，它是指“嘈雜中等規(guī)模量子“?！爸械纫?guī)?！敝傅氖乾F(xiàn)在可以獲得的量子計(jì)算機(jī)的尺寸大小———可能大到足以執(zhí)行某些高度專業(yè)化的任務(wù) ( 如新藥和新材料的設(shè)計(jì)等) ，超出了當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力范圍。“嘈雜”則強(qiáng)調(diào)對(duì)量子比特的控制還不是非常完美，這將導(dǎo)致小誤差隨時(shí)間不斷積累，如果計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，就得不到正確答案。

容錯(cuò)量子計(jì)算Fault-tolerant Quantum Computing 量子糾錯(cuò)碼可以用來(lái)解決退相干等硬件的不完美導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤問(wèn)題。在錯(cuò)誤的分布滿足某些條件的情況下，我們可以把最終計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)的概率降得任意低，這被稱作容錯(cuò)量子計(jì)算。量子糾錯(cuò)是有代價(jià)的，為了降低最終出錯(cuò)率，需要使用很多的量子比特來(lái)進(jìn)行編碼。進(jìn)行容錯(cuò)量子計(jì)算的首要條件，也就是錯(cuò)誤率低于容錯(cuò)閾值(亞閾值)的初始化、量子門以及讀取等操作已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)中被演示。 其他

量子互聯(lián)網(wǎng)Quantum Internet

荷蘭QuTech的研究人員正在嘗試建立世界上第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)。量子互聯(lián)網(wǎng)就像普通的互聯(lián)網(wǎng)一樣，但是它可以發(fā)送量子態(tài)并建立糾纏。當(dāng)然，建立全面的量子互聯(lián)網(wǎng)非常困難。因此，他們將在2020年之前建立一個(gè)小型的四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。該四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)將作為大型網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試平臺(tái)。該網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)節(jié)點(diǎn)將是荷蘭的四個(gè)城市：代爾夫特，阿姆斯特丹，萊頓和海牙。

量子霸權(quán)

Quantum Supremacy

量子霸權(quán)是指量子計(jì)算擁有的超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。在物理實(shí)驗(yàn)上，迄今還沒(méi)有任何一臺(tái)量子裝置在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出這種能力。2019年9月20日，科技巨頭谷歌(Google)一份內(nèi)部研究報(bào)告顯示，其研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)成功在3分20秒時(shí)間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需1萬(wàn)年時(shí)間處理的問(wèn)題，并聲稱是全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

相干時(shí)間

CoherenceTime

相干時(shí)間是量子疊加態(tài)可以存在的時(shí)間長(zhǎng)度。

保真度

Fidelity

量子保真度不是指密度矩陣中包含的空間，而是指兩個(gè)量子態(tài)彼此接近程度的度量或精度，其中最簡(jiǎn)單的例子是兩個(gè)量子位。通道保真度是衡量信息在通道內(nèi)保留程度的一種度量，并且與量子保真度有關(guān)。

退相干

Decoherence

量子計(jì)算所需的量子門是幺正變換。在量子力學(xué)理論中，幺正變換描述了一個(gè)封閉系統(tǒng)的演化。然而，在自然界中我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)真正的封閉系統(tǒng)：一個(gè)物理系統(tǒng)總是或多或少地與外界環(huán)境存在相互作用。由于相互作用的影響，系統(tǒng)演化不僅由系統(tǒng)本身決定還取決于環(huán)境的狀態(tài)。其結(jié)果是系統(tǒng)演化一般不再是幺正變換。有些非幺正演化會(huì)使量子系統(tǒng)逐漸失去相干性，也就是量子疊加態(tài)無(wú)法持續(xù)，這個(gè)過(guò)程被稱為退相干。退相干會(huì)導(dǎo)致量子算法失去優(yōu)勢(shì)。

量子糾錯(cuò)

Quantum Error Correction 量子計(jì)算機(jī)總是與環(huán)境相聯(lián)系，這種環(huán)境會(huì)干擾系統(tǒng)的計(jì)算狀態(tài)，從而導(dǎo)致信息丟失。量子糾錯(cuò)通過(guò)獲取系統(tǒng)的計(jì)算狀態(tài)并將其分散到糾纏態(tài)上的量子比特上來(lái)解決這一損失。這種糾纏允許外部經(jīng)典觀察者觀察和補(bǔ)救干擾，而不是觀察計(jì)算狀態(tài)本身，這將使它發(fā)生坍縮效應(yīng)。

絕對(duì)零度

Absolute Zero

絕對(duì)零度是理論上可能的最低溫度，在該溫度下粒子的運(yùn)動(dòng)將最小。絕度零度在開(kāi)爾文刻度上為零，等于–273.15℃。為了增加穩(wěn)定性，大多數(shù)量子計(jì)算系統(tǒng)在接近絕對(duì)零度的溫度下運(yùn)行。

摻雜金剛石

Doped Diamonds

對(duì)金剛石的量子應(yīng)用集中在識(shí)別可以在碳晶格中發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種不同缺陷。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們可以充分利用這些缺陷來(lái)操縱量子粒子的自旋。

容錯(cuò)材料

Fault-tolerantMaterial

容錯(cuò)材料是一類獨(dú)特的高級(jí)材料，其內(nèi)部電絕緣但在表面導(dǎo)電。在拓?fù)浣^緣體的表面上誘導(dǎo)高溫超導(dǎo)性為創(chuàng)建容錯(cuò)量子計(jì)算的先決條件打開(kāi)了大門。這些材料之一是石墨烯,石墨烯的邊緣可將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可用于量子計(jì)算機(jī)的拓?fù)浣^緣體。

量子點(diǎn)

Quantum Dot 量子點(diǎn)實(shí)際上是“人造原子”。它們是半導(dǎo)體的納米晶體，其中可以捕獲電子空穴對(duì)，納米晶體尺寸與光的波長(zhǎng)相當(dāng)，因此就像在原子中一樣，電子可以占據(jù)離散的能級(jí)，由此可以將點(diǎn)限制在光子晶體腔中，在此處可以用激光探測(cè)它們。

審核編輯 ：李倩