了解量子計算- Azure Quantum

此配置是根據使用傳統演算法來分解質數的實際難度。

量子加密藉由運用基本物理而非複雜度假設，來保證資訊安全性。

RSA 目前是安全的，因為可擴充的 ... 跳到主要內容 已不再支援此瀏覽器。

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下載MicrosoftEdge 其他資訊 目錄 結束焦點模式 閱讀英文 儲存 編輯 共用 Twitter LinkedIn Facebook 電子郵件 WeChat 目錄 閱讀英文 儲存 目錄 閱讀英文 儲存 編輯 Twitter LinkedIn Facebook 電子郵件 WeChat 目錄 了解量子計算 發行項 11/03/2021 2位參與者 此頁面有所助益嗎？ Yes No 還有其他意見反應嗎？ 系統會將意見反應傳送給Microsoft：按下[提交]按鈕，您的意見反應將用來改善Microsoft產品和服務。

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本文內容 量子運算有望解決地球上的某些最大挑戰：在環境、農業、健康、能源、氣候、材料科學等領域，以及我們尚未遇過的其他問題。

針對這些問題，傳統運算在系統的大小成長時，會逐漸受到挑戰。

量子電腦是可控制的量子機械裝置，其會利用量子物理的屬性來執行計算。

針對某些運算工作，量子運算可提供指數型加速。

這些加速可能歸功於量子力學的三種現象：疊加、干擾與糾纏。

就像位是傳統運算中資訊的基礎物件一樣，量子位(量子bits)是量子運算中資訊的基礎物件。

雖然位或二進位位數可以有0或1的值，但量子位可以有0、1或量子迭加為0和1的值。

傳統電腦與量子電腦之間的基本差異在於，量子電腦中的程式在本質上是概率性的，而傳統電腦通常是確定性的。

在量子演算法中，每個可能的結果都會有相關聯的機率幅度。

測量之後，其中一個可能的狀態會獲得特定機率。

這與傳統運算形成對比，在傳統運算中，位元只能確定是0或1。

如需有關量子運算的開頭與動機的詳細資訊，請參閱量子運算歷程記錄和背景。

量子運算有何用途？ 量子電腦不是可以更快完成所有作業的超級電腦。

量子運算研究的其中一個目標，就是要研究量子電腦可以比傳統電腦更快解決哪些問題，以及加速的速度。

量子電腦很適合需要計算許多可能不同組合的問題。

這些類型的問題可以跨許多方面找到。

量子模擬 量子機制是宇宙的基礎「作業系統」。

其描述本質的基本構成要素的表現方式。

本質的行為，例如化學反應、生物反應和材質構成物，通常牽涉到許多主體的量子互動。

為了模擬本質上的量子機械系統（例如分子），因為量子位可以用來代表有問題的自然狀態，所以會有其期望。

量子加密 密碼編譯是使用實體或數學方式隱藏機密資訊的技術，例如使用解決特定工作的計算難題。

傳統加密會仰賴不可駕馭的問題，例如整數分解或離散對數，但這些問題有許多都可以透過量子電腦更有效率地解決。

在1994中，PeterShor展示了可擴充的量子電腦可以中斷傳統的密碼編譯配置，例如Rivest–Shamir–Adleman(RSA)配置，其在電子商務中廣泛用於安全的資料傳輸。

此配置是根據使用傳統演算法來分解質數的實際難度。

量子加密藉由運用基本物理而非複雜度假設，來保證資訊安全性。

RSA目前是安全的，因為可擴充的量子電腦還無法使用。

但在大規模建立量子電腦之後，多項式時間量子演算法可能會攻擊這些以密碼系統為基礎的基礎數學問題。

由於預期會有夠大且容錯的量子電腦，因此我們正主動積極地研究： 估計密碼系統在量子後環境中之指定位元長度的安全性。

估計將目前的密碼系統改為新系統所需的時間。

搜尋演算法 西元1996年時，洛夫‧格羅弗開發了一種量子演算法，以大幅加快非結構化資料搜尋的解決方案，而能透過比任何傳統演算法更少的步驟來執行搜尋。

搜尋問題是設計使然。

的確，任何可讓您檢查指定值$x$是否為有效解決方案的問題，(「是」還是「沒有問題」)可以根據搜尋問題來制定。

以下是一些範例： 布林值可滿足性問題(英文)：這組布林值$x$是否為滿足指定之布林值公式的轉譯(指派給變數的值)？ 旅行推銷員問題(英文)：$x$是否說明連接所有城市的最短可能迴圈？ 資料庫搜尋問題：資料庫資料表是否包含記錄$x$？ 整數分解問題：固定數字$N$是否可被數字$x$整除？ 其中有些問題比較適合使用Grover的演算法，有些問題則比較不適合。

如需詳細資訊，請參閱格羅弗搜尋演算法的理論。

若要實際執行格羅弗的演算法來解決數學問題，您可以看到此教學課程來執行格羅弗的搜尋演算法。

量子機器學習 傳統電腦上的機器學習革新了科學界和企業界。

不過，由於將模型定型的運算成本高昂，因此會阻礙其發展和適用領域。

量子機器學習的領域會探索如何設計和實作量子軟體，以便讓機器學習的執行速度快過傳統電腦。

Microsoft的量子開發工具組(QDK)隨附于量子機器學習程式庫，讓您能夠執行混合式量子/傳統機器學習實驗。

此程式庫包含範例和教學課程，並且會提供必要工具供您實作新的量子和傳統混合演算法(以電路為中心的量子分類器)，以解決受監督的分類問題。

量子運算如何解決問題？ 針對某些運算工作，量子運算可提供指數型加速。

這些加速可能歸功於量子力學的三種現象：疊加、干擾與糾纏。

疊加 想像一下，您正在客廳運動。

您先把身體往左轉到底，然後再往右轉到底。

現在，同時往左和往右轉到底。

您不可能做到這一點(至少不把自己切成兩半是辦不到的)。

很明顯地，您無法同時處於這兩種狀態，您不可能同時間既面向左邊又面向右邊。

不過，如果您是量子粒子，由於有稱為疊加(也稱為相干性)的現象，您會有一定的概率面向左邊以及一定的概率面向右邊。

量子粒子(例如電子)有自己的「向左或向右」特性，例如自旋(稱為向上或向下)，或者，為了更加貼近傳統的二進位運算，我們可以將其說成1或0。

當量子粒子處於疊加態時，其會是無限多狀態(介於1和0之間)的線性組合，但在您實際觀察之前，您不會知道其處於哪一種狀態，而這又帶出了下一個現象，那就是量子測量。

糾纏 量子機制的其中一個最有趣的現象，就是兩個或更多個量子粒子彼此纏結的能力。

粒子在變成糾纏狀態時會形成單一系統，而讓任何一個粒子的量子狀態無法與其他粒子的量子狀態分開描述。

這表示不論您對某個粒子套用了什麼運算或程序，其他粒子也會受到牽連。

除了此相互相關性，粒子也可以維持此連接，即使是以非常大的距離分隔也一樣。

量子測量的效應也適用於糾纏的粒子，因此當某個粒子遭到測量並塌縮，另一個粒子也會塌縮。

由於糾纏在一起的量子位元之間會相互關聯，因此測量某個量子位元的狀態，就會提供另一個量子位元狀態的相關資訊，這個特性對於量子運算非常有用。

注意 兩個量子位元之測量間的關聯性，並不一定代表這兩個量子位元是糾纏的。

傳統位元也可能會相互關聯。

當兩個量子位元之間具有傳統位元無法重現的關聯性時，便代表其是糾纏的。

雖然這個傳統和量子關聯性之間的差異很細微，但對於量子電腦所提供的加速而言卻是必要的。

Ifyouwanttolearnmore,seethetutorialexploringquantumentanglementwithQ#. 量子位元和概率 傳統電腦會以位元儲存和處理資訊，位元的狀態可以是1或0，但不會同時是兩者。

量子運算中所對應的則是量子位元，其代表量子粒子的狀態。

由於疊加的關係，量子位元既可以是1或0，也可以是兩者之間的任何值。

根據其設定而定，量子位元會有一定概率塌縮為1或0。

量子位元會塌縮向哪一方的概率則由量子干涉決定。

還記得為您拍照的朋友嗎？假設他們的相機上有特殊的濾光片，稱為干涉濾光片。

如果他們選取70/30濾光片並開始拍照，則有70%的照片您會面向左邊，有30%的照片您會面向右邊。

濾光片干涉了相機的正常狀態，而影響其行為的概率。

同樣地，量子干涉也會影響量子位元的狀態，以影響測量期間特定結果的概率，而此概率狀態便是量子運算的擅長之處。

例如，傳統電腦有兩個位元，每個位元會儲存1或0，因此合起來您可以儲存四個可能值：00、01、10和11，但一次只會儲存其中一個。

但對於疊加的兩個量子位元來說，每個量子位元可以是1或0或兩者，因此您可以同時表示相同的四個值。

如果有三個量子位元，您就可以表示八個值，有四個量子位元就可以表示16個值，依此類推。

量子電腦與量子模擬器 量子電腦是結合傳統和量子運算能力的機器。

目前的量子電腦對應于和混合式模型：控制量子處理器的傳統電腦。

量子電腦的開發仍在開發的成形中。

量子硬體和其維護的成本很高，大部分的系統都位於大學和研究實驗室中。

傳統電腦使用的是我們熟悉的矽基晶片，量子電腦所使用的則是量子系統，例如原子、離子、光子或電子。

傳統電腦會使用其配量屬性，來表示可在1和0的不同配量疊加所準備的位元。

不過，這項技術正在不斷進步，而且有一些系統已經有限度地開放存取。

量子硬體 量子電腦有三個主要部分：裝載量子位的裝置、執行量子作業的方法(也稱為量子閘道)至量子位和測量它們，以及傳統電腦來執行程式和傳送指示。

選擇用來建立量子電腦的量子位類型將決定這些的執行。

用於量子位元的量子材料非常脆弱，而且對於環境的干涉異常敏感。

例如，在superconducting量子位中，裝載量子位的單位會保留在高於絕對零的溫度，以將其連貫性發揮到極致。

其他類型的量子位元裝載則會使用真空室以便將震動降到最低，並使量子位元保持穩定。

您可以使用各種不同的方法（包括微波、鐳射和電壓）來執行操作或量子閘道，視量子位類型而定。

量子電腦面臨許多挑戰，因此難以正常運作。

量子電腦的錯誤修正是一大問題，而且擴大(新增更多量子位元)時將會提高錯誤發生率。

基於這些限制，桌上型量子電腦想要問世仍是遙遙無期，但具有商業可行性的實驗室型量子電腦會比較早問世。

Microsoft正在根據拓撲量子位元來開發量子電腦。

拓撲量子位較不受其環境中的變更影響，因此可減少所需的外部錯誤修正程度。

拓撲量子位元提高了穩定性和對抗環境雜訊的能力，這表示它們可以更輕鬆地調整規模，並長期保持可靠。

量子模擬器 目前，使用真正的量子硬體會因為資源和預算而受到限制。

在此同時，量子模擬器會提供執行量子演算法的目的，讓您輕鬆地測試和偵測演算法，然後在真正的硬體上執行，並確信結果將符合預期。

量子模擬器是在傳統電腦上執行的軟體程式，可讓您在環境中執行和測試量副程式，以預測量子位如何回應不同的作業。

Microsoft的量子開發工具組(QDK)包含不同的量子模擬器類別，其代表模擬相同量子演算法的不同方式，包括雜訊模擬器，以在出現雜訊和資源估算器的情況下模擬量子演算法。

如需詳細資訊，請參閱量子模擬器。

量子運算的流程 在量子電腦或量子模擬器上執行計算時，會遵循基本的流程： 存取量子位元 將量子位元初始化為所需狀態 執行運算以轉換量子位元的狀態 測量量子位元的新狀態 初始化和轉換量子位是使用量子作業來完成，(也稱為量子閘道)。

量子運算類似於傳統運算中的邏輯運算，例如AND、OR、NOT和XOR。

運算可以基本到像是將量子位元的狀態從1翻轉為0或是糾纏一對量子位元，以便使用一系列的多個運算來影響塌縮至其中一方的疊加量子位元概率。

注意 Q#程式庫提供了內建作業，可定義較低層級量子運算的複雜組合。

您可以使用程式庫運算來轉換量子位元，以及建立更複雜的使用者定義運算。

測量運算結果會告訴我們答案，但對於某些量子演算法來說，卻不一定是正確的答案。

由於某些量子演算法的結果是以量子運算所設定的概率作為基礎，因此這些運算會執行多次以取得概率分佈，並提升結果的精確度。

運算會傳回正確答案的保證就是所謂的量子驗證，但這在量子運算中是一大挑戰。

AzureQuantum計算硬體合作夥伴 Microsoft與各家量子硬體公司合作，讓開發人員能夠透過雲端存取量子硬體。

利用AzureQuantum平台和Q#語言，開發人員將能夠探索量子演算法，並在不同類型的量子硬體上執行其量子程式。

Honeywell量子解決方案：具有高精確度、完全連線的量子位，以及執行中間電路測量的能力的系統。

IONQ：動態可重新設定最多11個完全連線量子位的最多11個已攔截量子電腦，可讓您在任何配對之間執行雙量子位閘道。

量子線路，inc.：快速且高精確度的superconducting線路，具備強大的即時意見反應，可啟用錯誤修正。

如需詳細資訊，請參閱完整的量子運算目標清單。

後續步驟 量子計算歷程記錄和背景 Q#(QDK)的程式設計語言和量子開發工具組有哪些？ 設定AzureQuantum 在AzureQuantum中建立以量子為基礎的亂數字產生器 量子模擬器 連結Q#庫 本文內容