了解量子计算
量子计算有望解决我们这个星球上在以下领域遇到的一些最大的挑战 - 环境、农业、医疗保健、能源、气候、材料科学领域，以及我们尚未遇到的其他领域方面的问题。 对于其中某些问题，随着系统规模的增长，经典计算受到越来越多的挑战。
量子计算机是可控制的量子机械设备，它们利用量子物理的属性来执行计算。 对于某些计算任务，量子计算提供指数加速。 这些加速之所以成为可能，要归功于量子力学的三种现象：叠加、干涉和牵连。
正如位是经典计算中信息的基础对象一样，量子比特（量子位）是量子计算中信息的基础对象。 位（或称为二进制数）的值可以为 0 或 1，而量子比特的值可以是 0、1 或 0 和 1 的量子叠加。
传统计算机和量子计算机之间的根本区别在于，量子计算机中的程序本质上是概率性质的，而传统计算机通常是确定性的。 在量子算法中，每个可能的结果都有关联的概率振幅。 测量后，其中某个可能状态以特定概率获得。 该情况与传统计算相反，在传统计算中，一个位只能是确定的 0 或 1。

量子计算的用途是什么？
量子计算机不是可以更快地执行一切的超级计算机。 量子计算研究的目标之一是研究哪些问题可以用比传统计算机更快的量子计算机来解决，以及加速的幅度有多大。
量子计算机在需要计算许多可能的不同组合的问题上表现得异常出色。 可以在多个领域发现此类问题。

量子模拟
量子力学是我们宇宙的基本“操作系统”。 它描述了自然界的基本组成部分是如何运作的。 自然界的行为（例如化学反应、生物反应、物质形成）往往涉及到多体量子交互。 对于模拟固有量子机械系统（如分子）来说，量子计算大有希望，因为量子比特可用于表示有关的自然状态。

量子加密
加密是使用物理或数学手段（例如，使用解决特定任务的某个计算难度）隐藏机密信息的方法。 经典密码学依赖于整数分解或离散对数等问题的难处理性，其中许多问题都可以使用量子计算机更有效地得以解决。
1994 年，Peter Shor 指出，可缩放的量子计算机可打破经典加密方案，例如 Rivest–Shamir–Adleman (RSA) 方案，该方案在电子商务中广泛用于安全数据传输。 此方案基于使用经典算法对素数进行因式分解的实际困难。
量子加密通过利用基本物理原理而不是复杂性假设来保证信息安全。 RSA 目前是安全的，因为可缩放的量子计算机尚不可用。 但是，在大规模构建量子计算机后，多项式时间量子算法可能会破解这些加密系统的底层数学问题，
由于预期将来会有足够大的容错量子计算机问世，研究人员在以下方面进行了积极的研究：
判断后量子环境中给定位长度的加密系统的安全性。
估算将当前加密系统迁移到新系统需要多长时间。

搜索算法
1996 年，Lov Grover 开发了一种量子算法，该算法极大地加速了对非结构化数据搜索的解决方案，与传统算法相比，其搜索步骤更少。
搜索问题在设计上是通用的。 事实上，任何允许你检查给定值 x 是否是有效解决方案的问题（“是或否问题”）都可以用搜索问题来表述。 下面是一些示例：
布尔可满足性问题：布尔值集 x 是否是满足给定布尔公式的解释（对变量的赋值）？
旅行商问题：x 是否描述了连接所有城市最可能的最短循环？
数据库搜索问题：数据库表是否包含记录 x？
整数分解问题：定数 N 是否可以被 x 数所除？
其中一些问题比其他问题更适合从使用 Grover 算法中获益。

量子机器学习
经典计算机上的机器学习正在彻底改变科学和商业领域。 然而，训练模型带来的高计算成本阻碍了该领域的发展和范围。 量子机器学习领域探讨了如何设计和实现可使机器学习比传统计算机运行速度更快的量子软件。

量子计算如何解决问题？
对于某些计算任务，量子计算提供指数加速。 这些加速之所以成为可能，要归功于量子力学的三种现象：叠加、干涉和牵连。
叠加
假设你在客厅锻炼身体。 你一直向左转，然后一直向右转。 现在，同时向左转和向右转。 你无法做到这一点（至少要将自己一分为二）。 显然，你无法同时处于这两种状态，即无法同时向左和向右。
但如果你是量子粒子，由于一种称为叠加（也称为相干性）的现象，你可能具有一定的向左的概率和一定的向右的概率 。
量子粒子（例如电子）具有其自己的“向左或向右”属性（例如被称为向上或向下的自旋），或者使其与经典二进制计算更相关，比如说 1 或 0。 当量子粒子处于叠加状态时，它是介于 1 和 0 之间的无数个状态的线性组合，但只有在你实际观察它时，你才知道它的状态，这又会涉及到我们要讲的下一种现象，即量子测量。

纠缠
量子力学中某个最有趣的现象是两个或多个量子粒子彼此纠缠。 当粒子纠缠在一起时，它们会形成单个系统，因此不能独立于其他粒子的量子状态来描述任何一个粒子的量子状态。 这意味着，对一个粒子应用的任何操作或过程也会与其他粒子相关。
除了这种相互依赖性，粒子甚至还可以在相距甚远的距离也可以保持这种连接。 量子测量的效果也适用于纠缠的粒子，因此当一个粒子经过测量和坍缩后，其他粒子也将坍缩。 由于纠缠的量子比特之间存在相干性，因此测量一个量子比特的状态可以提供有关其他量子比特的状态的信息，这种特殊的属性在量子计算中非常有用。
备注
并非两个量子位的测量值之间的每个相关性都意味着两个量子位相互牵连。 传统位也可以关联。 当两个量子位呈现无法使用传统位再现的关联时，则相互牵连。 传统关联和量子关联之间的这一区别非常微妙，但对于量子计算机提供的加速是必不可少的。

量子比特和概率
经典计算机以比特为单位存储和处理信息，比特的状态可以为 1 或 0，但不能同时处于这两种状态。 量子计算中的等效项是量子比特，它表示量子粒子的状态。 由于叠加，量子比特可以是 1 或 0，也可以介于这两者之间。 根据其配置，量子比特具有坍缩为 1 或 0 的一定概率。 量子比特坍缩方式的概率取决于量子干扰。
还记得为你拍过照的朋友吗？ 假设相机上有特殊的滤镜，称为干扰滤镜。 如果他们选择 70/30 滤镜并开始拍照，则其中 70% 的照片上的人将向左，而 30% 的照片上的人将向右。 滤镜干扰了相机的正常状态，从而影响了其行为的概率。
同样，量子干扰会影响量子比特的状态，从而在测量过程中影响特定结果的概率，而这种概率状态正是量子计算的优势。
例如，经典计算机中只有两个比特，其中每个比特都可以存储 1 或 0，因此，你可以同时存储四个可能的值（00、01、10 和 11），但一次只能存储一个值 。 但在两个量子比特重叠的情况下，每个量子比特都可以是 1 和/或 0，因此你可以同时表示四个相同值。 如果是三个量子比特，则可表示八个值；如果是四个量子比特，可表示 16 个值，依此类推。

量子计算机与量子模拟器
量子计算机是结合了经典计算和量子计算功能的计算机。 当前的量子计算机对应于混合模型：控制量子处理器的经典计算机。
量子计算机的开发仍处于起步阶段。 量子硬件及其维护成本高昂，大多数系统都位于大学和研究实验室中。 经典计算机使用熟悉的硅材料芯片，而量子计算机使用原子、离子、光子或电子等量子系统。 它们使用其量子属性来表示可以在 1 和 0 的不同量子叠加中准备的位。 不过，这项技术在不断发展，并对某些系统提供有限的公共访问。

量子硬件
量子计算机有三个主要部分：一台包含量子比特的设备、一种对量子比特执行量子操作（也称为量子门）并进行测量的方法，以及一台用于运行程序并发送说明的经典计算机。 选择用于构建量子计算机的量子比特类型将确定这些类型的实现。
用于量子比特的量子材料易碎且对环境干扰高度敏感。 例如对于超导量子比特，存储量子比特的装置保持在稍高于绝对值零的温度下，以最大化其一致性。 其他类型的量子比特装置使用真空室来帮助最大程度地减少振动并使量子比特保持稳定。
可使用各种方法（包括微波、激光和电压）执行操作或量子门，具体取决于量子比特的类型。
量子计算机在正确操作方面面临着诸多挑战。 量子计算机中的纠错是一项重大问题，扩大规模（增加更多量子比特）将增加错误率。 由于这些限制，量子台式电脑在将来变得越来越遥远，而商业上可行的基于实验室的量子计算机会变得越来越近。
Microsoft 正在开发基于拓扑量子位的量子计算机。 拓扑量子比特受环境变化的影响较小，因此减少了所需的外部纠错的程度。 拓扑量子位具有更高的稳定性，并且不容易受到环境所影响，这意味着它们更容易伸缩，并保持更长的可靠时间。

量子模拟器
目前，由于资源和预算的原因，真正的量子硬件使用有限。 同时，量子模拟器旨在运行量子算法，易于测试和调试算法，然后在真正的硬件上运行该算法，并相信结果与预期相符。
量子模拟器是在经典计算机上运行的软件程序，可在预测量子比特如何对不同操作做出反应的环境中运行和测试量子程序。 Microsoft Quantum 开发工具包 (QDK) 包含不同的量子模拟器类，它们表示模拟相同量子算法的不同方式，包括用于在存在噪声时模拟量子算法的噪声模拟器以及资源估算器。

量子计算过程
在量子计算机或量子模拟器上执行计算遵循以下基本流程：
访问量子比特
将量子比特初始化为期望状态
执行操作以转换量子比特的状态
测试量子比特的新状态
使用量子操作（有时称为量子门）来初始化和转换量子比特。 量子操作类似于经典计算中的逻辑运算，例如 AND、OR、NOT 和 XOR。 基本操作可以是将量子比特的状态从 1 翻转为 0 或纠缠一对量子比特，也可以使用一系列串行操作来影响叠加的量子比特坍缩方式的概率。
衡量计算结果会告诉我们答案，但是对于某些量子算法，不一定是正确答案。 由于某些量子算法的结果基于量子操作配置的概率，因此这些计算会多次运行，以获得概率分布并优化结果的准确性。 确保返回正确答案的操作称为量子验证，这是量子计算中的一项重大挑战。

@豫州太守 @星耀橘猫