量子计算可以改善研发、供应链优化和生产。例如，您可以通过优化复杂流程中的路径规划等元素，应用量子计算来降低制造流程相关成本并缩短周期时间。另一个应用是贷款组合的量子优化，以便贷方可以释放资本、降低利率并改进其产品。
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# 什么是量子计算？

## 什么是量子计算？

量子计算是一个多学科领域，涵盖计算机科学、物理学和数学的各个方面，它利用量子力学，可以比传统计算机更快地解决复杂问题。量子计算领域包括硬件研究和应用程序开发。通过利用量子力学效应，例如叠加和量子干涉，量子计算机能够比传统计算机更快地解决某些类型的问题。量子计算机可以提供此类速度提升的一些应用领域包括 机器学习（ML）、物理系统的优化和模拟。最终的使用场景可能是金融领域的投资组合优化或化学系统的模拟，以及解决目前即使是市面上最强大的超级计算机也无法处理的问题。

## 量子计算的优势是什么？

目前，没有任何量子计算机可以比经典计算机更快、更便宜或更高效地执行有用的任务。量子优势是我们建立一个量子系统的门槛，该系统可以执行最好的经典计算机在任何合理时间内都无法模拟的操作。

## 什么是量子力学？

量子力学是在微观层面研究粒子行为的物理学领域。在亚原子水平上，描述粒子行为的方程与描述我们周围宏观世界的方程不同。量子计算机利用这些行为，以一种全新的方式执行计算。

## 什么是量子位？

量子比特（或量子位）由量子粒子表示。控制设备对量子位的操作是量子计算机处理能力的核心。量子计算机中的量子位类似于经典计算机中的位。在其核心，经典机器的处理器通过操作位来完成所有工作。同样，量子处理器通过处理量子位来完成所有工作。

### 量子位与经典位有何不同？

在经典计算中，位是打开或关闭的电子信号。因此，经典位的值可以是 1（开）或 0（关）。然而，由于量子位基于量子力学定律，因此可以被置于叠加态。

## 量子计算的原理是什么？

量子计算机使用量子原理工作。量子原理需要一个新的术语词典才能被完全理解，这些术语包括叠加、纠缠和退相干。让我们在下面了解这些原则。

### 叠加

叠加态很像经典物理学中的波，您可以添加两个或多个量子态，结果将是另一个有效的量子态。相反，您也可以将每个量子态表示为两个或多个其他不同状态的总和。这种量子位的叠加赋予了量子计算机固有的并行性，使它们能够同时处理数百万个操作。

### 纠缠

当两个系统紧密联系在一起时，量子纠缠就会发生，您可以通过一个系统的相关知识立即了解另一个系统，无论它们相距多远。量子处理器可以通过测量一个粒子得出关于另一个粒子的结论。例如，它们可以确定如果一个量子位向上旋转，则另一个将始终向下旋转，反之亦然。量子纠缠使量子计算机能够更快地解决复杂问题。

当测量量子态时，波函数会坍缩，您可以将状态测量为 0 或 1。在这种已知或确定的状态下，量子位将充当经典位。纠缠是量子位将其状态与其他量子位相关联的能力。

### 退相干

退相干是量子位中量子态的损失。辐射等环境因素会导致量子位的量子态崩溃。构建量子计算机的一项重大工程挑战是设计各种试图延迟状态退相干的功能，例如构建保护量子位免受外部场影响的特殊结构。

## 量子计算机有哪些组成部分？

量子计算机具有硬件和软件，类似于经典计算机。

### 量子硬件

量子硬件具有三个主要组件。

#### 量子数据面板

量子数据面板是量子计算机的核心，包括物理量子位和将它们固定到位所需的结构。

#### 控制和测量面板

控制和测量面板将数字信号转换为模拟或波形控制信号。这些模拟信号会对量子数据面板中的量子位执行操作。

#### 控制处理器面板和主机处理器

控制处理器面板将实施量子算法或操作序列。主处理器与量子软件交互，并向控制和测量面板提供数字信号或经典位序列。

### 量子软件

量子软件使用量子电路实现独特的量子算法。量子电路是一种计算例程，它定义了对底层量子位的一系列逻辑量子操作。开发人员可以使用各种软件开发工具和库来编写量子算法。

## 量子技术有哪些类型？

没有人能给出构建容错量子计算机的最佳方法，多家公司和研究小组正在研究不同类型的量子位。我们在下面给出了其中一些量子位技术的简要示例。

### 基于门的离子阱处理器

基于门的量子计算机是一种接收输入数据并根据预定义的单一操作对其进行转换的设备。该操作通常由量子电路表示，类似于传统电子设备中的门操作。然而，量子门与电子门完全不同。

离子阱量子计算机采用带电原子（称为离子）电子状态来实施量子位。离子通过电磁场限制和悬浮在微型陷阱上方。基于捕获离子的系统使用激光应用量子门来操纵离子的电子状态。 俘获离子量子位使用来自自然界的原子，而不是合成制造量子位。

### 基于门的超导处理器

超导性是一组物理特性，您可以在非常低的温度下，在某些材料（如汞和氦）中观察到这些特性。在这些材料中，您可以观察到一个特征临界温度，低于该温度电阻为零并且磁通量场被排出。通过超导线环的电流可以在没有电源的情况下无限期地持续存在。

超导量子计算是量子计算机在超导电子电路中的一种实施。超导体量子位采用低温运行超导电路构建。

### 光子处理器

### 量子光子处理器是一种操纵光进行计算的设备。光子量子计算机利用发射压缩光脉冲量子光源，带有对应于连续运算符模式的量子位等价物，如位置或动能。

### 中性原子处理器

中性原子量子位技术类似于俘获离子技术。不过，它使用光，而不是电磁力来捕获量子位并将其固定在适当的位置。原子不带电，电路可以在室温下运行

### 里德堡原子处理器

里德堡原子是一个受激原子，具有一个或多个平均远离原子核的电子。里德堡原子具有许多特殊的特性，包括对电场和磁场的过度响应以及长寿命。当用作量子位时，它们提供强大且可控的原子相互作用，您可以通过选择不同的状态来调整这些相互作用。

### 量子退火器

量子退火使用物理过程将量子系统的量子位置于绝对能量最小值。在那里，硬件会轻轻地改变系统的配置，以便其能源格局反映需要解决的问题。量子退火器的优势在于，量子位的数量可以比基于门的系统中可用的数量大得多。但是，它们的使用仅限于特定情况。

## 公司如何使用量子计算？

量子计算可以颠覆许多行业。我们在下面给出了一些使用场景示例：

### ML

机器学习（ML）是分析大量数据以帮助计算机做出更好的预测和决策的过程。量子计算研究研究了信息处理的物理极限，并在基础物理学领域开辟了新天地。这项研究促进了多个科学和工业领域（例如化学、优化和分子模拟）的进步。它也是一个日益受关注的领域，金融服务业可以通过它来预测市场动向，制造业也可以通过它来改善运营。

### 优化

量子计算可以改善研发、供应链优化和生产。例如，您可以通过优化复杂流程中的路径规划等元素，应用量子计算来降低制造流程相关成本并缩短周期时间。另一个应用是贷款组合的量子优化，以便贷方可以释放资本、降低利率并改进其产品。

### 模拟

精确模拟系统所需的计算量随着药物分子和材料的复杂性呈指数增长。即使使用近似方法，当前的超级计算机也无法达到这些模拟所需的精度水平。量子计算有可能解决化学中面临的一些极具挑战性的计算问题，使科学界能够进行当今难以处理的化学模拟。例如， Pasqal 构建了他们的 QUBEC 计算软件来运行化学模拟。QUBEC 将运行量子计算任务所需的繁重工作自动化，涵盖计算基础设施的自动配置、运行预处理和后处理经典计算以及执行错误缓解任务等。



## 如何开始使用量子计算？

如果您想尝试量子计算，则可以在本地机器上使用量子硬件模拟器。模拟器是模仿经典计算机上的量子行为的常规软件。它们是可预测的，可以让您看到量子态。如果您想在投资量子硬件时间之前测试您的算法，它们会很有用。不过，它们无法重现真实的量子行为。

您还可以使用云量子计算服务在真正的量子计算机上进行编码，而无需投资昂贵的硬件。

## AWS 如何在量子计算方面提供帮助？

Amazon Braket 是一项完全托管的量子计算服务。它旨在帮助加快量子计算的科学研究和软件开发。您可以使用 Amazon Braket 执行以下任务：

- 使用一组一致的开发工具处理不同类型的量子计算机和电路模拟器。
- 在受信任的云上构建量子项目，并为量子和经典技术提供简单的定价和管理控制。
- 利用专家指导和技术支持快速创新，或与 Amazon Quantum Solutions Lab 的顾问合作。
- 通过访问俘获离子、超导、光子和退火设备，突破 量子硬件研究 的界限。

## AWS 量子计算后续步骤



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