量子计算与量子信息之量子计算概述

（这个是连载的哦，期待大家的持续关注啦…）

一、引言

当今，量子技术十分的火热，譬如说：量子通信、量子计算、量子隐形传态等等。

我国的量子计算机也取得了一些举世瞩目的成就，那就是九章量子计算机。

但是，实际上，我国并没有一门专门的课程来学习量子计算等问题，国外虽然有一些书籍和教学视频，但又往往不符合国人的胃口，这就造成了不少国内的学者想要学习量子计算，但是苦于没有途径的局面。

基于这样的现状，本人在这里，利用Quantum Computation And Quantum Information （量子计算与量子信息）这本业界中的神书来进行量子计算以及量子信息的内容讲解与介绍，旨在帮助读者学习量子计算的相关内容。

在讲解的同时，我们还会在某些时候利用如下的网站进行仿真实验：

https://algassert.com/quirk

这个平台来进行量子计算模拟的实验是挺不错的，这个平台总体来讲还是非常不错的，可以实时的更新url来实现电路与网址之间的对应，而且可以实时显示变化的装态，挺好的啦。

后续使用的时候，我们会进一步详细介绍这个平台的啦。

然后，有机会的话，我还会在适当的时候给出一些有意思或者非常有价值的一些习题，以这种方法来帮助大家更好的理解和领悟量子计算的本质内容了啦。

二、初步感知

有人可能觉得量子计算非常高大上，只有物理非常好的人才可以从事这样的研究，其实并非如此的，量子计算不需要让你去求解薛定谔方程那样的复杂的数学问题，而是主要专注于逻辑方面的内容，很多物理上面的问题都是已经得到的现成的结论，我们直接拿去使用就可以了。

下面给出一些量子计算中常常用到的东西：

那些量子门是不是很像我们最喜欢的数字电路里面的一些逻辑门？

那些量子门的矩阵形式的表述是不是就是我们也非常喜欢而且熟悉的线性代数里面的矩阵呢？

实际上，

我们通过借助以前我们学习过的那些知识，并对大写知识加以利用和延拓，确实是非常有助于我们对量子计算进行学习的啦。

三、引言与概述

量子计算以及量子信息的研究对象主要就是用量子力学系统能够完成的信息处理的任务。

我们在量子计算之中，将会把主要的着重，放在于利用量子态的叠加性进行高速的运算等操作，虽然目前已经有了很大的进展，大距离我们的大规模量子计算机还有很大的差距，因此，我们还是需要更加努力的工作的，也希望有更多的人可以投入到量子计算的研究上去。

四、量子比特

1、量子比特的概念

比特是经典计算机中非常基础的一个概念，是计算机处理问题的基础，计算机把各种问题转换为二进制的形式，然后进行运算等等。

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在量子计算中也有类似的概念，即就是量子比特，我们这里，将量子比特，描述为一个具有特定数学属性的数学对象。

• 这里， 你可能会好奇，为什么不描述为一个物理对象？
  这是因为，诚然，量子比特确实是一个物理对象，而且也是由物理系统来实现的，但是我们知道，一个物理对象往往是通过数学形式进行表述的，而且，在量子计算之中，量子比特的处理方法就是通过数学上的运算进行实现的，即就是说，我们主要是将量子比特当做一个数学对象进行处理的额，比如：量子比特与线性代数中的矩阵进行相互作用得到最终输出的结果。我们这样操作相当于是以数学的方式来进行研究量子计算，这也是十分合理的。从而，我们建立了一个不依赖于任何实际的物理系统的量子计算以及量子信息的模型，处理起来会比较的方便了。

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那么究竟什么是量子比特呢？
经典比特有0和1两个状态，同样的量子比特也有 ∣0⟩ 和 ∣1 ⟩两个基本的状态，而量子比特与经典比特最大的区别就是在于，量子比特是一个叠加的状态∣ψ⟩ =α∣0⟩ +β∣1⟩ ，也就是说，量子比特是两个基本的状态的一个线性组合，称为叠加态。相当于是说，量子比特是二位的一个矢量，而那两个基本的状态就是二维空间里面的基底了。一般而言，量子比特的状态是二维空间中的一个复向量。尽管这么奇特，但是量子比特确实是存在的，大量的实验已经证明了这一点。

2、Bloch球

Bloch球可以用来描述一个量子比特所处的实际的状态。

实际上，我们发现，这个Bloch球与我们经常使用的球坐标是类似的，只不过是采用了不同的表述而已了啦。

下面是一些状态的举例，具体的举例如下图所示：

3、多量子比特

由于这里的公式比较多，比较繁琐，不太好输入，我们就直接使用图片的形式进行展示了，但是效果其实还是一样的额。

五、量子计算概述

量子状态的而变化可以使用量子计算的语言来进行描述，类似于经典的计算机一样，经典计算机是包含有连线以及逻辑门的线路所构成的，量子计算机也是由包含连线以及基本量子门的排列形成的量子信息处理的量子线路。

1、单量子比特门

这里我们还是采用图片的方式展示：

单量子比特门最典型的例子是非门：
经典非门我们都知道的，

实际上，量子比特的非门就是一个矩阵（算子）。

当然了，还有一些其他的一位量子门。


下面，我们对一位量子比特门进行一个总结：

最后还需要再加一项：

综上所述呢：

2、多量子比特门

这里还是贴图片了。



我们会发现，量子门跟数字电路中的门十分类似，而量子门的表述又与矩阵非常相似了。

3、其他的状态举例

4、量子线路

我们举一个非常简单的例子：

针对量子线路，有以下的问题：

5、举例

5.1、例一

5.2、例二

（这个案例希望大家自己亲自动手进行操作一下，以便于更好的理解是如何进行计算以及如何进行实验的哦，相信对于你理解量子计算是很有帮助的啦，建议操作一下了啦。）

我的计算

这里放一下我的计算过程，字有点丑，（将就着看一下吧。

bell状态以及量子隐形传态计算过程如下所示啦：

量子隐形传态的电路的搭建

1、构建Bell态

2、实现量子隐形传态

可以直接通过链接查看我的电路哦：

https://algassert.com/quirk#circuit=%7B%22cols%22%3A%5B%5B%22Z%5Et%22%2C%22H%22%5D%2C%5B%22Y%5Et%22%5D%2C%5B%22X%5Et%22%5D%2C%5B1%2C%22%E2%80%A2%22%2C%22X%22%5D%2C%5B%22Bloch%22%5D%2C%5B%22%E2%80%A2%22%2C%22X%22%5D%2C%5B%22H%22%5D%2C%5B1%2C%22Measure%22%5D%2C%5B1%2C%22%E2%80%A2%22%2C%22X%22%5D%2C%5B%22Measure%22%5D%2C%5B%22%E2%80%A2%22%2C1%2C%22Z%22%5D%2C%5B1%2C1%2C%22Bloch%22%5D%5D%2C%22init%22%3A%5B%22i%22%5D%7D

3、搭建完成

我把整个搭建过程以及结果的显示放在了哔哩哔哩视频里面，可以直接观看如下，也可以打开链接到哔哩哔哩进行观看，顺带着点个赞吧。

https://www.bilibili.com/video/BV1pL4y1q7nq?spm_id_from=333.999.0.0

注意！！！

以下的量子算法的相关的这些内容就算看不懂也是没有关系的，了解一下就可以了，后面的话，我们会在后续的博文之中详细的进行讲解这些量子算法的，这里只是进行一个简单的介绍，看不懂没有关系，但是希望可以简单的了解一下了啦。

六、量子算法

1、量子计算实现经典的计算

2、并行计算的方法

3、Deutsch算法

4、DJ算法的实现

END.
到此为止，本文基本讲解完毕啦。

后续我们会进行讲解量子信息的处理，以及量子计算的更加深入的内容。量子计算深入的部分，我们将详细的讲解量子比特的操作以及各种门的逻辑和矩阵的算子表述方法等等的问题，相信通过学习你也会掌握量子计算的，为我国量子计算的发展贡献自己的力量。

最后附上本人此次博文进行的计算：

最后，感谢大家的阅读与支持，期待大家的持续关注，也希望大家要是觉得有帮助的话就点一个赞再走吧，么么哒~~(๑′ᴗ‵๑)Ｉ Lᵒᵛᵉᵧₒᵤ❤，记得点赞哦。

谢谢大家的支持啦，（づ￣3￣）づ╭❤～爱你么么哒(๑′ᴗ‵๑)Ｉ Lᵒᵛᵉᵧₒᵤ❤，记得点赞哦。

（希望本文对大家入门量子计算有一定的帮助了啦，希望这篇文章可以带着你进入量子计算的大门啦，当然，要是您有什么宝贵的意见或者建议，也希望您不吝赐教啦。。。。）