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量子物理基础课程教学实践经验: quantumchina 2020-10-6 16:35; 经过三年的实际教学实践，我校量子信息应用相关工科专业的教学中，可以在没有大学（经典）物理先行课程情况下学习量子物理的基本概念和基础知识，但是需要补充量子力学发展详细历史过程（特别是各重要的实验及其分析，以及随之而来的新的理论的提出），相关的一些经典物理知识一并讲解，这样学生就能站在客观的角度去理解从经典物理到量子物理过渡的原因。其中波粒二象性的概念一定要牢固建立，这是量子物理不同于经典物理的重要基础。另外，学生越早接触量子物理基础，越利于更好地建立量子力学的思维方式，接触太晚就会觉得量子力学很奇怪难以理解和接受，因为形成了经典物理的思维定势。这样的教学方式供广大师生参考，当然也会有些不足之处，还要在今后的教学中多多改进完善，也请各位专家批评指正。; 个人分类: 教与学|2764 次阅读|0 个评论

问两个关于量子信息理论的简单问题: 热度 1 guanky 2018-1-24 15:34; 在国内外经常见到关于量子信息与量子计算机研究进展的报道，我国的相关报道中也常提到某些研究部门曾用量子计算机成功将整数15分解成素数3与5的乘积，也曾提到某部门利用量子计算机解决了线性方程组的求解问题。如果这些报道内容是真实的，在我看来这些绝对是量子计算机研究的决定性突破。但所有报道均无具体描述，无法使我判断有关内容的真伪。其实，根据对量子力学及量子信息理论中的量子比特概念的理解，我根本不相信那些报道内容是真实的。为了避免陷入抽象的理论争议，特提出以下两个极简单的问题，希望了解或支持那些报道的研究人员、学者、记者做个简单的回答或说明。 1. 关于素数分解实验，操作人员如何通过“量子比特”精确输入整数15，如何精确读出计算结果3与5？ 2. 关于求解线性方程组实验，对最简单的一元一次方程，2 x - 1=0 , 操作人员如何通过“量子比特”精确输入系数 2 与 -1，如何精确读出解 x = 1/2 ? 对这么简单的问题，如果没人愿意，或没人能够回答，这怎能令人相信那些报道的内容是真实的呢？; 3485 次阅读|1 个评论

[转载]什么是量子比特？: quantumchina 2018-1-21 17:38; 导读：“一个量子比特可以同时处于 0 状态和 1 状态”，是什么意思？正确的理解是：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态，而量子比特是“旋钮”，有无穷多个状态。为什么“ n 个量子比特包含 2 的 n 次方个比特的信息”？张真人，群众请你出来解释真武七截阵的原理！　　 ————————————————————————————— 　　近年来，量子计算和量子通信（即“量子信息”）的成果层出不穷，吸引了公众越来越多的注意力。一个副产品是，借量子之名碰瓷的也如雨后春笋般活跃。前两天还有人问我所谓“量子能增程器”是不是真的，回答是：纯属子虚乌有！　　　　心好累　　碰瓷蹭热点之所以这么容易，是因为大多数人不明白量子科学的原理。虽然如此，像“量子能增程器”、“量子袜子”、“量子鞋垫”、“量子水”、“量子隐身衣”、“量子能量精华口服液”、“量子医学”这样的，还是比较容易分辨，因为一看就很不专业，压根没有这样的概念。（普朗克、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、狄拉克等人怒问：我们费这么大劲搞出量子力学，居然只是给你们造袜子鞋垫的？）　　　　我的内心是崩溃的　　但下面这句话，用的就全是专业概念：“基于量子叠加原理，一个量子比特可以同时处于 0 状态和 1 状态。” 　　这是个超级常见的说法，你如果关心量子科技的新闻，我相信你肯定看到过类似的。但这个说法不能较真，一较真你会发现很难理解它实际说的是什么意思：是说量子比特同时处于两个状态？或者迅速在两个状态之间切换？或者处于一个不确定的状态？或者……时空分裂了？（脑洞开得太大，已阵亡）　　　　量子比特迅速在两个状态之间切换？就像……佛山无影脚？！（动图）　　在本文中，我会告诉读者，这句话实际讲的是什么意思，——用一种准确而且容易理解的方式。　　还有一个更神的说法，看起来不仅专业而且定量，内容却似通非通，把我这个写过不少量子信息科普文章的人都搞糊涂了：　　 “ 一个电子可以存储一量子比特信息。如果需要 2 比特来描述 1 量子比特，那么需要 4 比特来描述 2 量子比特，需要 16 比特来描述 4 量子比特…… ” 　　说得明确一点就是， n 个量子比特能存储 2 的 n 次方个比特的信息。奇妙的是，说这番话的不是民科，而是 2016 年以来大火的《宝宝的物理学》系列的作者克里斯·费利（ Chris Ferrie ）博士。这是他在《宝宝的量子信息学》里写的。　　　　《宝宝的量子信息学》　　他甚至还做了一个幽默的比喻：为了存储我最喜欢的一个分子（咖啡因）的信息，就需要地球上所有的手机！　　　　咖啡因分子　　好好好，我们都知道你最喜欢喝咖啡了。在某种意义上，伟大的法国文学家巴尔扎克就是咖啡喝太多喝死的…… 　　　　巴尔扎克　　你可能在很多地方也看到过类似的说法。我严重怀疑这些作者看过金庸的《倚天屠龙记》，因为他们的描述就好像此书第十章《百岁寿宴摧肝肠》中武当派的“ 真武七截阵 ”：　　 “ 这七套武功分别行使，固是各有精妙之处，但若二人合力，则师兄弟相辅相成，攻守兼备，威力便即大增。若是三人同使，则比两人同使的威力又强一倍。四人相当于八位高手，五人相当于十六位高手，六人相当于三十二位，到得七人齐施，犹如六十四位当世一流高手同时出手。 ” 　　　　真武七截阵　　这真是太好了……唯一的问题是，我知道这个说法实际表达的肯定不是字面上的意思，因为按照字面上，压根就不对。　　　　这就很尴尬了　　最近我咨询了一些量子信息的一线研究者，才明白了这个“真武七截阵”在什么意义上可以成立。当然，是类比的意义。在严格的意义上，它并不成立。　　下面我们来从头解释起。　　一、量子比特是什么？　　 “ 比特 ”是计算机科学的基本概念，指的是一个体系有且仅有两个可能的状态，一般用“ 0 ”和“ 1 ”来表示。典型的例子，如硬币的正、反两个面或者开关的开、关两个状态。　　但在量子力学中，有一条基本原理叫做“ 叠加原理 ”：如果两个状态是一个体系允许出现的状态，那么它们的任意线性叠加也是这个体系允许出现的状态。　　现在问题来了，什么叫做“状态的线性叠加”？为了说清楚这一点，最方便的办法是用一种数学符号表示量子力学中的状态，就是在一头竖直一头尖的括号“ | ”中填一些表示状态特征的字符。这种符号是英国物理学家狄拉克发明的，称为“ 狄拉克符号 ”。　　狄拉克的名著《量子力学原理》　　在量子信息中，经常把两个基本状态写成 |0 和 |1 。而 |0 和 |1 的线性叠加，就是 a|0 + b|1 ，其中 a 和 b 是两个数，这样的状态称为“ 叠加态 ”。“线性”意味着用一个数乘以一个状态，“叠加”意味着两个状态相加，“线性叠加”就是把两个状态各自乘以一个数后再加起来。如果你学过线性代数，恭喜你，复习的机会来了 ~ 　　叠加原理说的是：如果一个体系能够处于 |0 和处于 |1 ，那么它也能处于 |0 和 |1 的任何一个叠加态。这样的一个体系，就是一个“ 量子比特 ”。　　我们可以做一个比喻：经典比特是“ 开关 ”，只有开和关两个状态（ 0 和 1 ），而量子比特是“ 旋钮 ”，就像收音机上调频的旋钮那样，有无穷多个状态（所有的 a|0 + b|1 ）。　　　　旋钮　　现在，你明白“一个量子比特可以同时处于 0 状态和 1 状态”是什么意思了吧？它实际是说，量子比特可以处于 |0 和 |1 的叠加态。在一个时刻只会处于一个这样的确定的状态，既不是同时处于两个状态，也不是迅速在两个状态之间切换，也不是处于一个不确定的状态，更不是时空分裂。（黄飞鸿：可惜了我的佛山无影脚……）　　不得不说，“同时处于 0 状态和 1 状态”是一个很容易令人糊涂的说法，好像禅宗的打机锋，远不如旋钮的比喻清楚易懂。更糟糕的是，读者可能会以为自己懂了，然后胡乱引申，造成更大的误解。在科普文章中，类似这样的令人似懂非懂的说法太多了，简直是遍地陷阱。　　　　　　绊马索、陷马坑、连环陷阱！（动图，《秦时明月之万里长城》第 15 集《见龙在田》）　　二、量子比特和经典比特的信息量怎么比？　　了解了量子比特的概念后，你一方面会感到这是个巨大的扩展，一方面也会感到纳闷：从哪里能看出“ n 个量子比特包含 2 的 n 次方个比特的信息”？　　张真人，群众请你出来解释真武七截阵的原理！　　　　张三丰　　实际上，稍微想想你就会发现，量子比特和经典比特的信息量根本不属于同一范畴，因为前者包含的是连续变量（任意的 a 、 b 两个数），而后者是离散变量（ 0 或 1 ）。你可以泛泛而言“量子比特包含的信息量比经典比特大得多”，但无法给出它们之间的定量关系，因为这就好像问：从 0 到 1 之间实数的个数，跟 2 相比是多少倍？回答是这个问题问得不好，因为从 0 到 1 之间的实数有无穷多个。　　　　你是在逗我？　　如果我们较真的话，甚至可以说：一个连续变量里就包含了无穷多的信息。因为我们可以把这个数写成一个二进制的无穷位小数（例如 0.10011100101 ……），用小数点后第一位表示第一个比特的信息，第二位表示第二个比特的信息，如此等等。无论你有多少个比特的信息，一个小数里都塞得下。因此，整座图书馆的信息，甚至全世界所有的信息，都可以放在一个量子比特里！　　你也许会感到有点不对。这种存储的思路，连量子比特都不用，只要传统的一个旋钮或者一把尺子就可以实现了，为什么我们没有这么做呢？　　原因在于，测量的精度是有限的。也许你可以准确地测出小数点后第一位，第二位也测得比较准，第三位就不太确定了，第四位就纯粹是蒙了，第五位以及更后面的，完全没有意义。因此，你貌似可以把任意多的信息存在一个连续变量里，但实际上取不出这么多信息。　　　　幻觉，都是幻觉　　三、真武七截阵的意思是…… 　　那么，为什么许多人言之凿凿地说， n 个量子比特包含 2 的 n 次方个比特的信息？　　要让这句话有意义，关键在于：把 a|0 + b|1 中的 a 和 b 这两个系数，当作两个比特的信息。这当然不是个严格的说法，因为把连续变量和离散变量混为一谈了。不过只要你姑且接受这种表述，你就可以明白，他们实际想说的是，“ n 个量子比特包含 2 的 n 次方个系数 ”，这就是正确的了。　　这是怎么算出来的？　　对于一个量子比特， n = 1 ，体系可以取的状态是 a|0 + b|1 ，有 a 和 b 两个系数，系数的个数等于 2 的 1 次方。　　对于两个量子比特， n = 2 ，体系可以取的状态是……是什么？　　你也许会觉得，第一个量子比特的状态是 a 1 |0 + b 1 |1 ，第一个量子比特的状态是 a 2 |0 + b 2 |1 ，总共有 4 个系数。　　错了！按照这种方式，当你有第三个量子比特时，只是增加 a 3 |0 + b 3 |1 的两个系数，总共有 6 个系数。广而言之，每个量子比特提供两个系数，所以 n 个量子比特包含的系数个数就是 2n ，怎么会是 2 的 n 次方呢？　　真正的关键在于，对于多量子比特的体系，基本的描述方式并不是“第一个量子比特处于某个态，第二个量子比特处于某个态……”，而是“ 系统整体处于某个态”。　　系统整体可以处于什么态呢？再次回忆叠加原理（敲黑板）！是的，叠加原理对多粒子体系也适用。　　　　敲黑板（动图，来自作者与观视频团队合作的视频节目“科技袁人”第二集《有人觉得中国科技太弱，因为全世界除了中国只有一个国家：“外国”》， https://www.bilibili.com/video/av17932364/ ）　　所以，我们要做的就是找出多粒子体系可以处于的基本状态，而这些多粒子基本状态是由单粒子的 |0 态和 |1 态组合而成的。下面我们来看这些基本状态。　　首先，你可以让每一个量子比特都处于自己的 |0 态，这时系统整体的状态是所有这 n 个 |0 态的直接乘积（称为“直积”），可以简写为 |000… ，狄拉克符号里有 n 个“ 0 ”。　　然后，在这个态的基础上，你可以让第一个量子比特变成自己的 |1 态，这时系统整体的状态是 |100… ，这也是一个直积态。　　然后，在 |000… 的基础上，你可以让另一个量子比特（比如说第二个）变成自己的 |1 态，这时系统整体的状态是 |010… 。这样，你可以走遍所有的由 n-1 个“ 0 ”和 1 个“ 1 ”组成的字符串。　　然后，在 |000… 的基础上，你可以让两个量子比特变成自己的 |1 态。这样，你可以走遍所有的由 n-2 个“ 0 ”和 2 个“ 1 ”组成的字符串。　　这个过程继续下去，最终你会把所有的量子比特都变成自己的 |1 态，得到由 n 个“ 1 ”表示的 |111… 这个态。在这个过程中，你得到了所有的由“ 0 ”和“ 1 ”组成的长度为 n 的字符串。　　这样的态总共有多少个呢？第一位有 2 种选择，第二位也有 2 种选择，一直到第 n 位都是 2 种选择。所有这些选择乘起来，就是 2 的 n 次方种选择。注意是相乘，而不是相加。在高中学过排列组合、二项式定理的同学们，肯定都看明白了吧？　　　　机智如我，早已看穿了一切　　因此， n 量子比特的系统有 2 的 n 次方个基本状态。它可以处于的一般状态，就是　　这 2 的 n 次方个基本状态的线性叠加。可以写成 c(000…) |000… + c(100…) |100… + c(010…) |010… + … + c(111…) |111… ，其中每一个 c 都是一个系数，总共有 2 的 n 次方个这样的系数。　　顺便说一下，这样的一个 n 粒子状态，有可能可以表示成 n 个单粒子状态的乘积，这时我们称它为“直积态”，但更常见的是不能表示成 n 个单粒子状态的乘积，这时我们称它为“纠缠态”。作为一个简单的例子，二粒子体系的 (|00 + |11) / √2 就是一个纠缠态。你可以试着证明一下，很容易的 ~ 　　是的，上面讲的就是量子纠缠，就是那个你在很多文章里看到过、经常被宣传得神乎其神的东西。，其实它并不神秘，你如果想对量子纠缠获得更深入的了解，可以参见我的文章《你完全可以理解量子信息》的第 7 节“第三大奥义：纠缠”（ https://mp.weixin.qq.com/s/LYVWlm6_tkCbmHrHxRI3cg ）。　　现在，我们终于明白“ n 个量子比特包含 2 的 n 次方个比特的信息”这句话实际的意思了。　　张三丰：老道我也是蛮拼的！　　四、这个优势有多大用处？　　用处很大，根本上，这就是量子计算机的优势所在。　　具体而言，对于 n 个量子比特的量子计算机，一次操作就可以同时改变 2 的 n 次方个系数，相当于对 n 个比特的经典计算机进行 2 的 n 次方次操作。如果使用得当，这可以导致指数级的加速。这里的关键在于对量子纠缠的利用，如果没有纠缠态，只有直积态，那么你只有 2n 个系数，就没有加速可言了。　　魔鬼藏在细节中，这里的魔鬼就是“如果使用得当”。为什么会有不得当的？因为把数据读出来是大问题。　　在量子力学中，测量是一个独特的操作，跟非测量的过程服从不同的物理规律。不测量的时候，系统是做连续演化的，我们可以预测系统的状态。而在测量时，系统可能会发生突变，我们可能也会失去预测能力。　　对量子力学中的测量的详细解释，可以参见我的文章《你完全可以理解量子信息》的第 6 节“第二大奥义：测量”（ http://mp.weixin.qq.com/s/fkFEojysHLDn8uDUqcbxCA ）。在这里，我们只要明白量子力学中测量的结果可能是不确定的，就足够了。　　这意味着，虽然你一下子获得了 2 的 n 次方次操作的结果，但当你试图从中读出数据的时候，又会失去大部分信息。　　　　坑爹啊！　　由此导致的结果是，量子计算机的这个优势，需要非常巧妙的算法才能发挥出来。只对少数特定的问题，人们才设计出了这样的算法。而对于大多数的问题，量子计算机还没有表现出任何优势。　　因此，当你再看到用真武七截阵来为量子计算机做宣传的文章时，就可以明白：他们说的只是潜力，不是一般情况。量子计算机不是普遍性地算得快，干什么都比经典计算机强，而是只对一些特定的问题比经典计算机算得快。　　淡定，淡定　　不过，这并不意味着量子计算机不堪大用。因为在目前已知的少数能发挥量子计算机优势的问题中，就包括两个非常重要的问题：因数分解和无结构数据库的搜索。对这两个问题的详细解释，可以参见我的文章《你完全可以理解量子信息》的第 10 节“量子因数分解和密码破解”（ http://mp.weixin.qq.com/s/irNUF7bNxbRI0dn6rvxA1g ）和第 11 节“量子搜索”（ http://mp.weixin.qq.com/s/XXZ5qWugxeexOfvRV6-M3Q ）。　　因数分解的困难性是常用的密码体系 RSA 的基础，能快速分解因数就意味着能快速破解 RSA 。想想你的信用卡、支付宝，如果能被人快速破解，世界会变成什么样？（剁手党的噩梦 .jpg ）无结构搜索的应用就更广泛了，从交通流到制药，不计其数的问题都归结于搜索。即使找不到其他的问题，这两个也已经足够显示量子计算机的重要性了。　　五、如果你问的就是存储…… 　　最后，如果你的目标不是计算，而是单纯的存储，那么有一个定理会让你大跌眼镜：从 n 个量子比特中能够读出的信息，最多就是 n 个经典比特！这是苏联和俄罗斯物理学家亚历山大·豪尔沃（ Alexander Holevo ）在 1973 年证明的。在这个意义上，“ n 个量子比特包含 2 的 n 次方个比特的信息”的说法是完全错误的。　　　　豪尔沃　　也就是说，单就存储而言，量子比特没有任何优势。跟前面那个“一个连续变量存储整个世界的信息”的佯谬不同，这个结论甚至都不是由于测量的误差（即使你的测量完全精确都没用），而是由于量子力学的基本原理。　　总结一下：量子比特的优势在于能处于两个基本状态的任何叠加态，但这个优势对于存储毫无价值，好处全都在计算上，而且只针对特定的能设计出巧妙算法的问题。虽然有这么多前提条件，但一旦能设计出这样的算法，让真武七截阵发动，就能发挥出神奇的威力！　　现在，你对这个微妙的主题，理解深入多了吧？　　至少，你用不着喝那么多咖啡了！每当让我在茶和咖啡中选择时，我总是毫不犹豫地选择茶 ~ 　　　　同志哥，请喝一杯茶　　作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，微博 @ 中科大胡不归，知乎 @ 袁岚峰（ https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8 ）。　　致谢：感谢中国科学院信息工程研究所杨理研究员在科学方面的指教。　　请关注风云学会的微信公众平台“风云之声”，微信号 fyvoice 　　知乎专栏： http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun 　　一点资讯： http://www.yidianzixun.com/home?page=channelid=m107089 　　今日头条： http://toutiao.com/m6256575842 来源链接： http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201801/201801/t20180109_29431.html 量子最快入门教程： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=3364677do=blogid=1084559from=space; 个人分类: 量子信息|10890 次阅读|0 个评论

浅议“经典比特”和“量子比特”: lwg 2018-1-16 11:08; 浅议“经典比特”和“量子比特” 看过袁岚峰先生关于量子信息的系列科普博文《你完全可以理解量子信息（4-5）》之后，感到有必要普及 “信息”的概念：1948年，数学家香农在题为“通讯的数学理论”的论文中为“信息”所下的定义：“ 信息是用来消除随机不定性的东西 ”。一个“经典比特”，对应一位二进制数，信息容量空间为1比特（只能容纳两个可能的情况中的一个，因为，log 2 2=1，谓之1比特。）。只有当这1比特信息容量空间，被0（或者1）填充、有确定值时，两个可能的情况中的一个情况被排除（不确定性得以消减），才意味着“信息”被写入了1比特信息容量空间；读取这1比特信息容量空间所写入的内容，就获得了1比特信息量；两个“经典比特”，对应两位二进制数，信息容量空间为2比特（只能容纳四个可能的情况中的一个，因为，log 2 4=2，谓之2比特。）。只有当这2比特信息容量空间，被0（或者1，2，3之一）填充、有确定值时，四个可能的情况中的三个情况被排除（不确定性得以消减），才意味着“信息”被写入了2比特信息容量空间；读取这2比特信息容量空间所写入的内容，就获得了2比特信息量；（更多“经典比特”的情况，照此类推）。在袁先生博文中，对一个“经典比特”和一个“量子比特”，做了一个形象的比喻：“我们还可以做一个比喻：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态（0和1），而量子比特是“旋钮”，就像收音机上调频的旋钮那样，有无穷多个状态（所有的a|0 + b|1）。显然，旋钮的信息量比开关大得多。”。在袁先生的这个比喻里，实际上犯了将“信息容量”混为“信息量”的错误。在袁先生的比喻中，一个“量子比特”具有无限大的信息容量，但只有令旋钮指定一个特定位置时，才算在这个无限大信息容量空间里，写入了确定的信息，才具有在无限多种可能情况中确定一种情况，排除其它无限多种情况的巨大信息量。如果不能在一个“量子比特”空间里确定地写入特定信息，无法保真读取所写入的特定信息；那么，一个“量子比特”，能够提供的信息量为零！以下是在袁先生博文后的跟帖，作为举例说明：李维纲 2018-1-9 19:28 讲得不错。但，所谓 “ 信息 ” 是能够将不确定性减小的东西。用 “ 1 ” 约定代表张三当前正在北京喝茶， “ 0 ” 代表张三当前不在北京喝茶。有情报员传回一个 0 或 1 ，使我们对张三当前是否在北京喝茶？ —— 不确定性减少了，我们称为获得了 “ 信息 ” 。如果，情报员传回了一个 “ 量子比特 ” ，这还有任何信息学意义吗？请指教。李维纲 2018-1-9 19:41 一个量子比特，最根本的特点在于：没有人知道它究竟是 0 ，还是 1 ？（连发送者都不知道！否则，就已经 “ 塌缩 ” 为经典比特了。对吗？），作为接受信息者，给您这样的 “ 信息 ” ，您能接受吗？战时，这样的情报员恐怕会被枪毙一百次吧？欢迎批评砥砺。; 12683 次阅读|0 个评论

[转载]本源量子计算云平台成功上线32位量子虚拟机: quantumchina 2018-1-13 14:57; 2018年1月11日，合肥本源量子计算科技有限公司的“本源量子计算云平台” 新版本Beta2.0正式发布。基于国内首创的“量子音符”QRunes量子语言，该平台成功搭建32位量子虚拟机，与国际通用的量子语言相比，算法效率更高、更具可操作性。量子技术使得数字化计算能力实现了指数级提升。量子位数越多，计算速度随之成倍增长，其发挥的功能也就越强大。合肥本源量子计算科技有限公司发布的“本源量子计算云平台”采用了国内首创的“量子音符”QRunes量子语言，在直接注册后，用户便可免费体验最大模拟32比特的模拟程序，旨在为用户提供量子计算在线演示、教育科普及模拟服务，为科研院所及高校提供量子计算解决方案，为有特定需求的专业用户提供可供定制的量子处理器的研发与培训服务。当前，国外主流的量子计算云平台体验成本高昂，让普通用户望而却步。在搭建了32位量子虚拟机的“本源量子计算云平台”上，用户可免费体验编写和运行量子程序，直接查看已编辑程序的图形化显示效果；编写完成的量子程序被发送至远程量子服务器上，在云端完成编译、执行与测量，其结果可迅速传回本地。据悉，“本源量子计算云平台”不仅可以免费体验量子编程，还涵盖量子科普、量子教学以及正在开发的量子小游戏等多种功能，量子“门外汉”也能快速上手学习量子编程。此外，用户在体验量子编程的过程中，还可结合“2量子比特的D-J算法”以及“3量子比特的Grover算法”的演示案例进行学习，更快了解量子编程。来源链接： http://society.people.com.cn/n1/2018/0112/c1062-29762417.html; 个人分类: 量子计算|1096 次阅读|0 个评论

关于量子计算机的点滴思考: 热度 2 lwg 2018-1-11 10:38; 关于量子计算机的点滴思考看过袁岚峰先生关于量子信息的系列科普博文《你完全可以理解量子信息（4-5）》之后，引发个人相关思考，连续发了几个跟帖，形成了一点比较系统的判断，系统整理如下： 1. 恰如一根无伸缩的理想棒材，可以凭一条划痕，分为a,b两段，使得a/b对应一个有理数；使得，该有理数和全世界所有图书馆馆藏图书内容对应的二进制编码一致；一个“量子比特”，理论上也可以蕴含同样量级的信息。 2. 一个“量子比特”的信息容量空间理论上是无限大，和一个“量子比特”实际能提供给我们多少信息完全不是一回事；恰如一个经典比特，当我们不能确定其存储的“究竟是0，还是1？”时，它给予我们的信息量为零一样；一个“量子比特”实际能提供的信息量，取决于我们对其存储内容（对应a,b两个值）测定的准确程度；为此，需要n个彼此纠缠的“量子比特”，使我们对a,b的测量精度，理论上可以达到2^n分之一水平；从而，可以确定一个“量子比特”中所存储的数，是2^n个数中间的哪一个数，获得所需的信息。这应该是量子计算机需要制备n个纠缠量子的根本原因。 3. 基于上述“第2点”原因，如果不能在一个量子比特空间里以高达 2^n分之一精度正确写入和保真读取信息，解决这个关键技术问题；量子计算机就是空中楼阁。 4. 当能够实现上述“第3点”技术要求， “在一个量子比特空间里以高达 2^n分之一精度正确写入和保真读取信息，解决这个关键技术问题”时，又实际上证明了：量子计算机操作处理的信息，是特定的那一个被写入的数值（是2^n个可能值中间的一个特定值），而不是并行处理着2^n个数值！换言之，这样的量子计算机，其能力仅仅相当于数据宽度为n的普通计算机！其能力仅仅相当于数据宽度为n的普通计算机！其能力仅仅相当于数据宽度为n的普通计算机！; 6544 次阅读|4 个评论

[转载]量子计算入门（2）：3分钟了解关键概念: quantumchina 2018-1-7 17:35; 量子计算是一种令人兴奋的全新计算模式，它不同于当前数据中心、云环境、PC和其它设备中的数字计算。数字计算需要把数据编码为二进制数字（比特位），每个比特位处于两个确定状态中的一个（0或1）。然而，量子计算使用量子位，后者可以同时处于多个状态。因此，量子位上的操作可以实现并行的大量计算。从本质上说，量子计算就是并行计算的终极目标，有着攻克传统计算机无解难题的巨大潜力。例如，例如，量子计算机可以模拟自然环境来推进化学、材料科学和分子建模等领域的科研工作。下面是构成量子计算基础的四个关键概念。一. 叠加如果把经典物理学看作一枚硬币，那么这枚硬币不是反面就是正面。比特位类似于此，不是0就是1。在量子物理学中，这枚硬币就像持续旋转中的硬币，同时代表正面和方面。因此，量子位可以同时是0和1，同时上下旋转。量子态：同时代表多个经典状态二. 纠缠纠缠让量子计算能够指数级扩展。如果一个量子位同时代表两个状态，两个量子位结合起来就可以代表四个状态。它们不再被独立看待，而是形成纠缠在一起的超级状态。随着更多量子位链接到一起，状态的数量呈指数级增长，能够为计算机实现天文数字般的计算能力。两个量子位不再被独立看待，它们形成超级状态三. 脆弱性量子态非常脆弱。测量、观察、接触或扰乱任何这些状态，它们就会坍塌成经典状态。这些状态不会坚持很长时间，这也就是为什么目前很难制造量子计算机。如果被噪声或测量所干扰，量子态会坍塌成经典态四. 不可克隆脆弱性的一个推论是“不可克隆定理”。在经典物理中，如果两个比特位由下面的硬币来表示，人们可以复制或窃听和重新创建该信息。相比之下，如果人试图观察或复制一套量子位中的纠缠信息，则这些信息会丢失。量子态无法在发送者或接收者不知情的情况下被复制。这个概念是量子通信的基础。无法在不破坏量子态的情况下复制、拦截或窃取量子计算可以大幅提升性能，有望解决当前的计算机无法解决的具体复杂问题。真正的量子计算机仍处于初级发展阶段，但量子计算有望解决复杂的模拟问题，例如大规模金融分析和更高效的药品开发。来源链接： http://mp.weixin.qq.com/s?src=11timestamp=1515316956ver=621signature=XzGBKN*aX1oc6BU7k0oLv84Xc0QyHGa43yAVoDEmuSN0IJhoN8NpIiWwVVmXD5Bjbxtwaacl4myk2NhbgGZ-BKyvKBzzTlg7ELVYFJM9JzoLkILyQOQ4rLH1EKgJrjFpnew=1; 个人分类: 量子计算|1106 次阅读|0 个评论

2017年，量子计算机正在向我们走来。: 热度 22 lxu2800 2017-1-20 07:47; 2017年，量子计算机正在向我们走来。量子计算机被戏称为“二十年后的技术”已经有许多年了，年复一年，这顶帽子始终也摘不下来。2017的新年钟声刚过，量子计算机的命运似乎出现了转机。信息产业的巨头谷歌和微软最近礼聘了不少量子计算机行业中的先驱者，并为今年的工作设定了挑战性的目标。他们的雄心壮志也表现在工作重心从纯科学研究开始向工程开发转移，而且这种转型也广泛地发生于众多的创业公司和学术研究中心。马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）说：“人们真的开始动手做东西，”他说，“我从来没有见过这样的事情。它不再只是实验室的学术研究项目了。” 谷歌从2014年起一直致力于利用超导量子电路实现量子计算方法。它希望在今年或不久之后，它们的量子计算能力可以超越最强大的“经典”超级计算机，企图一举夺得超算领域的皇冠。去年6月谷歌和它的合作者加州大学圣塔巴巴拉分校物理系在【自然】杂志发表的那篇论文为即将发起攻坚战吹响了冲锋号。他们的竞争对手——微软也当仁不让，把赌注押在一个有趣但未经证实的概念——拓扑量子计算，希望在今年对该技术实施第一次示范。从事量子计算的一些创业公司也不甘落后。门罗计划（Monroe plans）今年开始满世界诚聘英才。超导量子电路的开拓者之一，耶鲁大学物理学家Robert Schoelkopf，和IBM出来的应用物理学家Chad Rigetti（他曾在加州伯克利创建 Rigetti Computing 公司）合作，他们期望尽速突破关键技术为量子计算机研发矗立重要的里程碑。大学的实验室正在力争上游。 “事实证明我们拥有必需的所有组件和应有的功能，”Schoelkopf说，他继续在耶鲁大学领导一个参与这场竞赛的团队。为了让相关组件可以协同工作，仍有大量的物理实验需要完成，但主要的挑战现在是工程问题。迄今为止具有最多量子比特位（20个qubits）的量子计算机正在由位于奥地利因斯布鲁克大学的Rainer Blatt领导的一个实验室中进行测试。这里所说的量子比特qubits与现在普通计算机中的比特的概念是相似的，它们都是承载信息的基本单元。事实上，具有10位以下量子比特的小型量子计算机早己成功运行，但是它们没有多少应用价值。许多实际问题的求解需要成百上千位的量子比特，这是量子计算机研发进程中最大的障碍。因为量子比特的载体表现出“叠加”、“纠缠”等量子行为是有条件的，它们必须处于量子世界的环境中。通俗地说，这些量子比特的载体（例如光子、电子等）只有处于孤独安静的状态才会表现出来超凡脱俗的量子行为。当成百上千的量子比特的载体集中在一起，它们立刻退化为宏观世界中的一个普通俗客，量子比特变成了只有“0”或“1”两个状态的普通计算机中的比特。在增加量子比特位的同时，又能维持这些量子比特的载体的量子行为是量子计算机研制的关键，量子计算机最近的重大进展就与此有关。目前解决方案是量子计算机的模块化。科学家先制成小于10位量子比特的量子计算机模块，然后用特殊的方法把这些模块联系起来。这种联接的方式只是让模块与模块中相邻的两个量子比特发生联系，然后通过它们让模块与模块传递信息。这就保证了每个模块的独立性，每个模块是一只小型的量子计算机。但这些模块又是有机结合在一起的，构成了一个有许多位量子比特的可以有实用价值的大型量子计算机。构建量子计算机模块的方案现在主要有三种。最简单的方法是用单原子状态作为量子比特，图1左边显示的就是由5个原子组成的量子计算机模块，模块之间用光子作联接。第二种方法是用超导线路中的电磁振荡作为量子比特，图1中间显示的就是由4位量子比特的超导线路量子计算机模块，模块之间也是用光子作媒介。谷歌的量子计算机用的就是超导线路方案。第三种方法是用固体中电子自旋作为量子比特。这种量子计算机模块的一个优点是可以在室温下工作。 P1) 构建量子计算机模块的三种方案。最近量子计算机赛场中杀出的一匹黑马——芯片巨头英特尔公司用的就是第三种方案。2015年英特尔公司与荷兰的一家研究机构合作，动用5千万美元资金，上个月传出了鼓舞人心的好消息。他们在超纯硅片上构建了多位的量子比特模块。如上所述，量子计算机需要具有数千或上百万的量子比特位方能有广泛的实用价值。负责英特尔量子计算机硬件项目的总监吉姆·克拉克（Jim Clarke）认为，采用硅晶格的量子比特位有可能更快地实现这一目标。他说：“在晶片上能够集成数十亿晶体管的专业技术和精密设备应该有助于完善和扩展硅量子比特位。” 不少人看好英特尔的研发项目，它在量子计算机的硬件开发上优势十分明显，英特尔公司的介入将会大大加速量子计算机的研发进度。英特尔公司是经典电子计算机的中央处理器芯片的主要供应商，它又为什么要去研制完全不同的计算机，这不会砸了他自己的饭碗？英特尔在量子计算机研发上的努力说明了一个问题，量子计算机不是用来取代经典电子计算机的。在可以预见的将来，量子计算机不可能替代人们桌上的电脑和口袋里的手机，它更不是用来玩网络游戏和发微信的。量子计算机实际上是用来处理一些经典电子计算机根本无法解决的问题。人们都以为今天的超级电脑每秒种可以做千亿次以上的数值运算，所以这世上再复杂的问题应该都可以用电子计算机解决，大不了多化一些时间或者制造更快一点的电子计算机而已。实际上这是一个天大的误会。例如质因数分解：一台每秒能做一万亿次运算的电子计算机分解一个300位的正整数需要15万年，而分解一个5000位的数字需要50亿年！在未来相当长的一段时期中，即使电子计算机的速度有二至三位数的增长，它们对于解决质因数分解等问题仍然不会有什么实质性的帮助。由此可知，对某些类型问题，没有计算机算法的突破，仅靠计算速度的加快是完全没有出路的。半个多世纪以来，电子计算机从电子管、晶体管、集成电路一路走来，运行速度和存储容量等指标有了飞速的进步，但是它对信息处理的基本原理没有改变，因而计算的算法也难有根本上的突破。換言之，这几十年计算技术上的进步主要靠的是运行速度的提高和运行成本的降低，对于一些老大难问题仍然是束手无策。而量子计算机的切入点就是提供一套与电子计算机完全不同的对信息的表达和处理的基本方法，从而为引入全新的算法提供了可能。量子计算机是通过执行特殊的算法去解决计算领域中一些特定的老大难问题的，可以认为它就是一类专用型计算机。一定要明白：量子计算机不是用量子代替电子，从而提高运行速度；它也不是为了计算机进一步的小型化和微型化；在相当长时期中，它也不可能成为通用型计算机。量子通信实质上是用来作对称密钥分配的，同样，量子计算机主要是执行特殊算法的专用信息处理设备。量子计算机成败的关键在于：1）制备一定数量的具有量子物理特性的信息承载单元——量子比特，并让它们有机地结合起来成为可存储和可操作的量子处理器。2）利用量子处理器的特殊性，设计聪明巧妙的算法，解决一些特殊的计算难题。为此需要量子工程物理学家、算法专家和硬件工程师等多方面学者专家通力协作。除了不同专业层面的合作外，更需要有不同社会机构之间的交流与合作。美国在这点上做得比较好，在量子计算机的研制攻关中，他们已经形成了由大学与国家实验室、大型垄断性企业和创业型小公司组成的三驾马车。这三驾马车中的每匹马都在发挥其各自的特长但又协作配合，而且在不同的路段和不同的时期，由不同的马扛起中辕的重任。我觉得当前一些大型垄断性企业已经走到了前台，这也是量子计算机正在逐步成为现实的一个重要标志。像谷歌、微软和英特尔通过对市场的垄断获取高额利润，他们对一些前瞻性高科技项目的投入真的不差钱，而且企业内部高科技人才和精密仪器设备都是现成的，不用也是白不用。这几年他们全力以赴一定是嗅出了猎物的气味，想来收获的日子不会太远了。资本对于这些事物的敏感度和判断力常常使人佩服。反观追赶型工业大国，在高科技竞争的节骨眼上有时候就差那临门一脚，问题就出在没有垄断性企业的加入。中国不缺大型企业，但是这些企业并不掌握必杀技，他们多数只是赚些血汗钱，缺乏垄断性高利润收入。中国的大型企业在开创性高科技研发上缺少大规模的投入，非不愿也、乃不能也。一分钱都能逼死英雄汉，更何况动辙上亿美元的风险投入，钱从哪里来是个大问题。美国这些跨国企业通过垄断性高额利润来贴补高科技研发开支，又依靠研发成果进一步稳固和强化其垄断性地位，企业己经进入良性循环。后起的追赶型企业没有国家的组织和扶助实在很少有翻身机会的。中国在量子通信方面做得很好，在量子计算机研发领域也需要国家有前瞻性的产业政策出台，切莫坐失这个千年难逢的机会。量子计算机正在悄悄向我们走来，2017将是关键性的一年。现在的问题已经不是怀疑量子计算机能不能做成，而应该是关注如何构建大型量子计算机和如何使用它们。我们目前也许还不清楚量子计算机将如何改变这个世界，但是模块化量子计算机网络的出现很快会让世人惊叹。帷幕正在渐渐拉开，好戏就在前头，看厌了美剧、韩剧和日剧的朋友们，你们也许可以换换频道关注新的热点了。 P2)兰色表示年度研发经费（单位为百万欧元），灰色为发表的研究成果。 P3)兰色为论文数量，灰色为专利数量。 Barends, R. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature17658 (2016). 最近一二十年中，电子计算机结构原理上的变化主要是平行化和分布化，这也带来了算法上的一些变化和改进。但是必须看到平行化算法本身是有额外开销的，平行化带来的增益是有限度的。而且平行算法对不少问题是几乎无效的。同时有必要提一下，量子计算机也可能为平行算法提供全新的构架。本文首发于观察者网 2017年1月9日。; 个人分类: 科普集锦|11761 次阅读|54 个评论

对实现《基于科学实验的严肃质疑》的建议: 热度 6 guanky 2016-8-27 07:03; 最近科学网首页顶部刊登了署名陈伊凡的文章《对话潘建伟：欢迎基于科学实验的严肃质疑》。该文也引来很多评论与争论。对有争议的科学问题，“欢迎严肃的质疑”是值得肯定的科学态度。但在当前的条件下，仅用中文专对国内学者提出 “ 严肃质疑 ” 必须“ 基于科学实验” 的要求则非常不恰当。从科学意义上讲，潘建伟的实验是要证实通过卫星人类可以实现纠缠量子对远距离的超距量子信息传输。超距量子信息传输，在国内外学术界都是没定论的重大问题。没定论的主要原因就是它需要极精密昂贵的仪器与极严格的实验条件证实，这些要求绝大多数物理学专家都难以实现，而已知的实验尚有漏洞。现在潘建伟的实验已用到专项卫星，这必须动用大量经费与国家之力，当前国内几乎不可能组织另外对等的实验。所以对国内学者的质疑提出必须”基于科学实验“ 就是过分的苛求，实际上就是拒绝质疑。由于此项实验关系到科学重大问题，使用了国家大量经费，人们有权，也有义务对该试验的，科学上未定论的可疑方面提出严肃质疑。这里要指出，不需要进一步实验，仅凭公认的量子力学基础知识就能断定现在的量子信息理论存在根本的问题。该问题就是：量子信息理论的基本概念“量子比特”（ qubit ）在量子力学中普遍认为是不可测量的。推行量子信息理论的人，一般故意回避这一问题。因此，仅根据量子力学基础理论可断定 : 即使量子信息实现了超距传输，人们也不可能严格测出所传的量子信息。量子计算机存储与计算基本单元是量子比特，根据量子力学基础知识也可断定：即使能造出量子计算机，若要取出计算机的精确计算结果原则上也不可能。这一基本问题对量子信息理论是致命的。因此，发展量子信息的理论与应用就应先解决其观测性问题。如果回避这一原则问题，仍鼓吹花巨资研究“量子信息”理论，这做法是不恰当的。由于已知的量子比特的不可观测性，不难理解，为什么我在科学网上多次提出的要求， ” 希望推行量子信息理论的学者回答量子比特是否可观测 ” 的严肃问题（见我的博文《望物理学家回答量子理论中的量子比特能否被准确测定》，以及我对署名陈伊凡的《对话潘建伟：欢迎基于科学实验的严肃质疑》的评论）至今不见回答。可以下结论，他们在回避！其实，我非常赞同“基于科学实验的严肃质疑”。在我国的条件下实现“基于科学实验的严肃质疑”的一个可行办法就是使持反对意见、可信任的专家组织独立专业研究团队，利用使用卫星的现有实验系统，在适当时间进行独立的实验，检验光子源是否能输出纠缠光子对；检测输出的光是明显离散的光子对还是由巨量光子构成的光束；检测所用的 Bell 检测仪是否真能在不破坏原纠缠性条件下检测出 4 个不同 Bell 态；检测通过卫星传播的光是否还是原发射的离散光子对的一部分（即没有补充新光子）；检测甲乙两地用以比较的光子对是否还是经过Bell检测仪的原光子对等。应允许实验参与者公布实验结果、个人判断与质疑。理所当然，应要求新团队不改变相关设备，不泄露技术机密（除非该技术是不科学、是用以造假的）。我想这一建议是公平，或许也是可行的。; 4537 次阅读|24 个评论

[转载]部分坍塌的量子比特可通过“自旋回声”恢复状态: crossludo 2013-11-14 10:07; 在同一时间处于两种不同状态是量子比特的一个显著特点，测量量子比特会导致这种叠加态崩溃，使其塌缩成一个单一态。这个测量过程以及由此造成的量子比特坍塌似乎是不可逆转的。但据物理学家组织网11月12日（北京时间）报道，牛津大学的一个团队在《物理评论快报》上发表论文称，他们的实验证明，有一种方法可以原则上完美地恢复部分坍塌的单个量子比特的状态。该成果可用于量子系统中的质量控制。　　开展这项研究的牛津大学物理学家J.A.谢尔曼等人解释说，对一个量子比特进行测量，如果导致其完全崩溃，该量子比特就可以塌缩至一个确定的状态；而如果只是局部崩溃，可以理解为只是“窥看”了量子比特一眼，因为这不过是在验证量子比特没有衰变。但问题在于，这种单纯的窥看行为往往也会改变量子比特的状态。因此，找到恢复的方法能够从根本上扭转窥看对量子比特的影响，从而使窥看变成一种非破坏性的量子质量控制技术。　　可以用“薛定谔的猫”来想像一下这个局部坍塌的概念。“假设猫可以处于三种状态：快乐、悲伤或者死了，”谢尔曼说，“那么，这种方法只是检测猫究竟是死了还是没有，而无需了解猫是快乐还是悲伤。而快乐和悲伤混杂的量子状态在核实了猫还活着之后是可以得到积极地恢复的。” 　　物理学家们说，这种恢复量子比特的方法可以归纳为一个概念——自旋回声。自旋回声可以理解为一种让自旋“解开”的技术，该方法于2002年提出，2008年首次通过实验实现。他们对这种方法的准确性加以改进，使其失真度降低了一个量级，从而能够大幅恢复已经严重坍塌的量子比特的状态。比如，即使衰变的可能性高达80%，量子比特的信息内容也能被保存下来，且准确性超过98%。　　但这种恢复方法并非完美无缺。量子比特的状态能否恢复，取决于它坍塌的程度，正如死猫无力回生一样，完全崩溃的量子比特恢复的可能性为零。尽管如此，该方法对于克服量子退相干仍非常有用，而退相干是发展量子系统面临的最大挑战之一。　　“量子相干性是量子系统最大的弱点，因为所有的量子系统都会受到嘈杂环境和自发衰变的极大影响。”谢尔曼说，“要更完善地利用量子信息，就需要方法来检测和纠正这些随机误差。我们所描述的‘可逆窥看’方法是普遍适用的，并且在一个量子比特比其他的衰变更快（或对噪音更敏感）的情况下最有用。对于光子量子比特，‘可逆窥看’可以通过双折射光学系统和偏光器来实现。对于超导体量子比特，‘可逆窥看’可以利用微波脉冲来操作。而对于像我们实验中的原子量子比特，我们采用的是光脉冲和射频脉冲。‘可逆窥看’可能是促使这些量子计算架构从实验室走向真正广泛部署的有用设备的几种技术之一。”; 个人分类: 量子计算|1209 次阅读|1 个评论

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标签: 量子比特

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