量子计算与量子漫步
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2023-09-21 00:41:18
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量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

量子计算机就是实现量子计算的机器。量子计算机是以量子态作为信息的载体,其信息单元是量子比特,它是两个正交量子态的任意迭加态,实现了信息的量子化。

总结一下经典计算机和量子计算机的区别如下:

经典计算机的特点:

  • 其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。所有的输入态均相互正交。
  • 经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态。因此,经典计算机的变换,也即计算过程,只对应一类特殊集。

量子计算机的特点为:

  • 量子计算机的输入态和输出态为一般的迭加态,之间通常不正交。
  • 量子计算机的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。

量子计算最本质的特征:量子叠加性和相干性

量子漫步的概念最早是在1993 年由三位物理学家Y.Aharonov、L.Davidovich和N.Zagury在其研究工作中首次提出。之后出现了量子漫步的两种不同模型:离散量子漫步和连续量子漫步。离散量子漫步虽然早在1965 年Feynman在其工作中就已提出,而且之后Meyer和Watrous在各自的研究中也发现了这一模型,但离散量子漫步真正作为一种可能的计算模型是在2001 年由Aharonov,Ambainis,Kempe 及Vazirani 和Ambainis 等在其论文中正式提出。连续量子漫步则于1998 年由Farhi 等提出。

量子计算的研究最早可以追溯到理论物理学家理查德·费曼于1982年发表的《计算机模拟物理》的论文。在此之前,保罗·贝尼奥夫在一篇论文中描述了第一台计算机的量子力学模型,这已经成为这项研究的基础。费曼在“计算物理学”会议上发表声明后,为模拟量子计算,保罗·贝尼奥夫继续发展他的量子力学图灵机模型。

量子漫步是一种重要的量子计算数学模型,它是根据经典计算中的随机漫步模型提出的,是经典随机漫步在量子世界中的对应。经典的随机漫步模型是经典随机算法的基础,能够有效描述气体扩散、股票涨跌、无先验知识的地图行走等过程,已经被成功地用于开发经典算法。基于经典随机漫步,设计出了大量有效的随机算法。同样,量子漫步也能够用于设计不同的量子算法。目前在搜索、元素甄别、矩阵乘积计算、图形匹配等领域,都已经有基于量子漫步的量子算法提出,取得了丰富的研究成果。

量子漫步领域的在当今研究主要分为两大热点,一是经典随机漫步过程与量子漫步过程之间的比较,二是量子漫步在计算机科学中的应用。

量子漫步有两类量子漫步模型:第一类模型被称为离散型量子漫步,该类型包括漫步者和硬币态两个量子系统,以及仅在离散时间点作用在这两个量子系统之上使系统发生变化的演进算子;第二类模型被称为连续型量子漫步,包括一个漫步者量子系统和哈密顿演进算子,算子作用在系统上的时间不受离散时间点约束,其演进过程在数学上通过薛定鄂方程表示。

离散型量子漫步和连续型量子漫步的区别在于:应用关联演进算子的时间上的不同,前者的关联演进算子仅在离散的时间上作用,而连续的量子漫步则是随时应用的,不受离散时间点约束

参考文献:

[1]强晓刚 1 ,吴俊杰 1 ,周海芳 2 .基于量子漫步的图形匹配算法进展与展望[J].计算机研究与发展,2012,: 292-298

[2]李博.基于量子漫步构造的通用量子计算模型[D].北京邮电大学,2014

[3]强晓刚.基于量子漫步的图同构算法研究[D].国防科学技术大学,2011

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