量子電腦程式入門

量子電腦程式設計入門

你還認為量子電腦還沒到應用階段嗎?  

這種技術還需要很多年才能使用嗎? 

下面將介紹對量子電腦程式設計的一些基本原理。

將使用免費開源的軟體，如IBM的QISKit和量子機器學習軟體PennyLane。

還將在IBM雲端上實際的量子電腦運行程式。

這些可供對量子程式有好奇心的人使用。

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什麼是量子電腦？

1969年威斯納（Stephen  Wiesner）提出「基於量子力學的計算設備」。
1982年費曼在一個演講中提出用量子實現通用計算的想法。

2011年加拿大的D-Wave 系統公司發佈一款號稱「全球第一款商用型量子電腦」的計算設備「D-Wave One」

量子電腦和傳統的電腦有什麼差別?

目前你可以在手機，電腦找到目前晶片架構是由矽製成的。

常見的是使用光刻技術將極微小的圖案蝕刻到矽晶片中。

這些的圖案可以可控制通過晶片傳輸的電子（電流）。

目前是以奈米級的精度，約為10奈米，約20至50個原子。

已經接近達到了這些圖案的物理極限。

在構造具有如此小特徵的計算機晶片時，我們遇到的一個困難是電子和原子的量子行為。

電子具有所謂的波粒二像性。

這意味著，在某些情況下，電子的行為類似於波，而不是粒子，
因此，如果蝕刻的圖案太小，將其限制在矽晶片上的微小蝕刻圖案上將變得更加困難。
電子“擴散”並發生電子洩漏，比如量子穿隧，會導致電流通過矽晶片中這些微小通道的問題。

這種溢漏意味著晶片無法達到預期的性能，並且電子的波狀行為成為問題。
這通常被稱為“摩爾定律之死”，它代表了過去幾十年來我們期望的電腦性能增長的停滯。
因為製造傳統計算機晶片的大小和效率確實存在物理限制。

量子計算旨在將這種量子力學行為的“問題”轉化為一種計算優勢，
通過使用它來以與我們的手機和筆電中的二進制1和0根本不同的方式來處理訊息。
考慮量子電腦的一種有用方法是將其視為ASIC（專用集成電路）。
將其視為一種特殊的晶片，旨在比標準矽晶片更有效地執行特定類型的計算。
讓我們看一下如何表示QISKit中的基本計算單位。

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QISKit中的量子位狀態

首先，你需要下載Anaconda 的免費發行版，以便可以使用Jupyter Lab。

下載Anaconda後，打開Anaconda瀏覽器並打開Jupyter Lab的實例。

要安裝QISKit，你只需在Jupyter筆記本電腦或Jupyter Lab中使用pip。

接下來，你需要在Python中 匯入qiskit和matplotlib。

現在，如果要在布洛赫球面（Bloch Sphere)上繪製“自旋”狀態，則可以鍵入以下命令。

我們可以使用以下命令繪製量子位元(qubit)的下旋( Spin-Down)狀態。

通常，不像經典的二進制位一樣，量子位元狀態不再局限於簡單的0或1。

量子位元可以處於無限多個狀態。

每個狀態都表示為布洛赫球面上的一個點。

上旋(Spin-Up)對應於狀態0，下旋(Spin-Down)對應於狀態1，

但量子位元也可以處於這兩種狀態的組合中。

布洛赫球上的每個點都像地球表面上的坐標一樣，代表唯一的量子位狀態。

量子位元在無限多個不同狀態中的能力與量子物理學中“疊加”(superposition)的概念有關。

例如，布洛赫球上的以下狀態是狀態0和狀態1的均勻混合，因此處於這兩個狀態的疊加狀態。

此“向右旋轉”位置表示為“疊加”，

或0狀態和1狀態的“線性組合”。

如果你不了解線性代數參考，也沒關係。

現在，如果我們想在上旋狀態（或狀態0）下對單個量子位進行操作，並將其翻轉為下旋（狀態1），則可以使用NOT門。

NOT門或“ Pauli X門”是量子邏輯閘。

量子邏輯閘在概念上與經典邏輯閘相似，但並不完全相同。

它們對量子位的操作非常類似於經典邏輯閘可以對位進行的操作，但是它們始終是可逆的，並由矩陣乘法表示。

我們可以在QISKit中創建一個量子電路，如下所示：

現在，如果要使用NOT邏輯閘對單個量子位元qubit進行操作，可以在QISKit中使用以下代碼進行操作。

這表示我們已經將上旋量子位狀態翻轉為下旋。

這是量子算法的基本思想。