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# 什麼是量子運算？

## 什麼是量子運算？

量子運算屬於多學科領域 (包括電腦科學、物理學和數學的各個方面)，可利用量子力學解決複雜問題，且速度要比傳統電腦更快。量子運算領域包括硬體研究和應用程式開發。透過利用量子力學效應 (例如疊加和量子干擾)，量子電腦能夠比傳統電腦更快地解決某些類型的問題。量子電腦可以在某些應用程式中提供這種速度提升，而這些應用程式包括 機器學習 (ML)、最佳化和物理系統模擬。最終使用案例可以是金融領域的投資組合最佳化或化學系統的模擬，幫助解決目前即使是市場上最強大的超級電腦也無法解決的問題。

## 量子運算有哪些好處？

目前，沒有任何量子電腦可以比傳統電腦更快、更便宜或更高效地執行實用任務。量子優勢是我們建立一個量子系統的門檻，該系統可以執行最好的傳統電腦在任何合理時間內都無法模擬的操作。

## 什麼是量子力學？

量子力學是在微觀層面研究粒子行為的物理學領域。在次原子層面上，描述粒子行為的方程與描述我們周圍宏觀世界的方程不同。量子電腦利用這些行為以一種全新的方式執行運算。

## 什麼是量子位元？

量子位元由量子粒子表示。控制裝置對量子位元的操作是量子電腦處理能力的核心。量子電腦中的量子位元類似於傳統電腦中的位元。傳統電腦處理器的核心就是透過操控位元來完成所有工作。同樣，量子處理器透過處理量子位元來完成所有工作。

### 量子位元與經典位元有什麼不同？

在經典運算中，位元是打開或關閉的電子訊號。因此，經典位元的值可以是一 (開) 或零 (關)。然而，由於量子位元的基礎是量子力學定律，可以將其置於疊加狀態。

## 量子運算有哪些原則？

量子電腦使用量子原理工作。需要一本新的術語詞典才能全面了解量子原理，這些術語包括疊加、糾纏和去相干。接著，我們來了解下這些原則。

### 疊加

疊加態表明，就像經典物理學中的波一樣，您可以新增兩個或多個量子狀態，結果將是另一個有效的量子狀態。相反，您也可以將每個量子狀態表示為兩個或多個其他不同狀態的總和。這種量子位元的疊加賦予了量子電腦固有的並行性，使它們能夠同時處理數百萬個操作。

### 糾纏

當兩個系統如此緊密地連結在一起時，就會發生量子糾纏，如此，只要您獲悉一個系統的知識，即可立即了解另一個系統，無論它們相距多遠。量子處理器可以透過測量一個粒子而得出關於另一個粒子的結論。例如，他們可以確定如果一個量子位元向上旋轉，另一個將始終向下旋轉，反之亦然。量子糾纏使量子電腦能夠更快地解決複雜問題。

當測量量子狀態時，波函數會坍縮，您可以將狀態測量為 0 或 1。在這種已知或確定的狀態下，量子位元可充當經典位元。糾纏是量子位元將其狀態與其他量子位元相關聯的能力。

### 去相干

去相干是量子位元中量子狀態的損失。環境因素 (如輻射) 會導致量子位元的量子狀態崩潰。建構量子電腦的一項重大工程挑戰是，設計各種試圖延遲狀態去相干的功能，例如建置保護量子位免受外部場影響的特殊結構。

## 量子電腦由哪些部分組成？

量子電腦具有硬體和軟體，類似於傳統電腦。

### 量子硬體

量子硬體有三個主要元件。

#### 量子資料平面

量子資料平面是量子電腦的核心，包括物理量子位元和將它們固定到位所需的結構。

#### 控制和測量平面

控制和測量平面可將數字訊號轉換為模擬或波形控制訊號。這些模擬訊號會對量子資料平面中的量子位元執行操作。

#### 控制處理器平面和主機處理器

控制處理器平面實作量子演算法或操作序列。主機處理器與量子軟體互動，並向控制和測量平面提供數位訊號或經典位元序列。

### 量子軟體

量子軟體使用量子電路實作獨特的量子演算法。量子電路是一種運算例程，它定義了對基礎量子位元的一系列邏輯量子操作。開發人員可以使用各種軟體開發工具和程式庫來編寫量子演算法。

## 量子技術有哪些類型？

沒有人展示出建置容錯量子電腦的最佳方法，多家公司和研究小組正在研究不同類型的量子位元。以下是我們給出的其中一些量子位元技術的簡要範例。

### 量子閘、離子阱 (Ion Trap) 處理器

閘型量子電腦是一種接收輸入資料並根據預定義的單一操作對其進行轉換的裝置。該操作通常由量子電路表示，且類似於傳統電子產品中的閘作業。然而，量子閘與電子門完全不同。

陷獲離子量子電腦使用荷電原子 (稱為離子) 的電子狀態來實作量子位元。您可以使用電磁場，將離子限制並懸浮在自由空間中。陷獲離子系統運用了使用雷射裝置的量子門，進而操控離子的狀態。 陷獲離子量子位元使用來自自然界的原子，而不是合成製造量子位元。

### 量子閘、超導處理器

超導性是一組物理特性，您可以在非常低的溫度下於某些材料 (如汞和氦) 中觀察到這些特性。在這些材料中，您可以觀察到特徵臨界溫度，低於該溫度時，電阻為零並且磁通量場會被排出。通過超導電線的電流可以在沒有電源的情況下無限期地持續存在。

超導量子運算是量子電腦在超導電子電路中的一種實作。超導量子位元是使用以低溫溫度作業的超導電路建立的。

### 光子處理器

### 量子光子處理器是一種操縱光進行運算的裝置。光學量子電腦利用發射壓縮光脈衝的量子光源，具有對應於持續算子模式的量子位元，如位置或動量。

### 中性原子處理器

中性原子量子位元技術類似於陷獲離子技術。然而，它使用光而不是電磁力來捕獲量子位元，並將其固定在適當的位置。原子不帶電，而電路可以在室溫下運行

### 芮得柏原子處理器

芮得柏原子是一個受激原子，平均擁有一個或多個遠離原子核的電子。芮得柏原子具有許多特殊性質，包括對電場和磁場的過度回應以及長壽命。當用作量子位元時，它們會提供強大且可控的原子相互作用，而您可以藉助選擇不同的狀態來調整這些相互作用。

### 量子退火

量子退火使用物理過程將量子系統的量子位元置於絕對能量最小值。此時，硬體會逐漸變更系統的組態，以便其能源格局反映需要解決的問題。量子退火器的優勢在於，量子位元的數量可以比量子閘系統中可用的數量大得多。但是，它們僅可用於特定情況。

## 公司如何利用量子運算？

量子運算可以徹底改變產業。以下是我們給出的一些範例使用案例：

### 機器學習

機器學習 (ML) 是分析大量資料以幫助電腦做出更好的預測和決策的過程。在量子運算研究中，其研究了資訊處理的實體限制，並在基礎物理學領域有了新突破。這項研究促進了許多科學和產業領域的進步，例如化學、最佳化和分子模擬。其同樣逐漸引起金融服務 (預測市場動向) 和製造業 (改善營運) 的興趣。

### 最佳化

量子運算可以改善研發、供應鏈最佳化和生產。例如，您可以透過最佳化複雜流程中的路徑規劃等元素，套用量子運算來降低製造流程相關成本並縮短週期時間。另一個應用是貸款組合的量子最佳化，以便貸方可以釋放資本、降低利率以及改進其產品。

### 模擬

精確模擬系統所需的運算工作量隨著藥物分子和材料的複雜性呈指數增長。即使使用近似方法，當前的超級電腦也無法達到這些模擬所需的精度水平。量子運算有可能解決化學中面臨的一些最具挑戰性的運算問題，使科學界能夠進行當今難以處理的化學模擬。例如， Pasqal 建置了其執行化學模擬的 QUBEC 運算軟體。QUBEC 將執行量子運算任務所需的繁重工作進行自動化，從運算基礎設施的自動佈建到執行預處理和後處理經典計算以及執行錯誤緩解任務。



## 如何開始使用量子運算？

如果您想嘗試量子運算，您可以在本機電腦上使用量子硬體模擬器。模擬器是模仿傳統電腦上的量子行為的常規軟體。它們是可預測的，可讓您看到量子狀態。如果您想在投資量子硬體時間之前測試您的演算法，則它們會很有用。然而，它們無法重新建立真實的量子行為。

您還可以使用雲端量子運算服務在真正的量子電腦上編寫程式碼，而無需投資昂貴的硬體。

## AWS 如何協助量子運算？

Amazon Braket 是一項全受管量子運算服務。Amazon Braket 專門協助量子運算的科學研究和軟體開發。您可以使用 Amazon Braket 執行以下任務：

- 使用一致的開發工具集與不同類型的量子電腦和電路模擬器搭配使用。
- 針對量子和經典技術，使用簡單定價和管理控制項，在可信任的雲端建置量子專案。
- 以專家指引和技術支援快速創新，或與 Amazon Quantum Solutions Lab 的顧問協作。
- 使用存取的陷獲離子、超導和退火裝置、光子，推動 量子硬體研究 的邊界。

## AWS 量子運算後續步驟



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