[量子计算]量子计算常用高频词汇集（佛系月更）

写在前面

一直想专门写点Quantum Computing的文章，但不知道如何着手。相信对于QC感兴趣的童鞋也是面临想进入这个行业但不知道从何着手的困境，因此今后逐渐会将精力分散一部分来系统性的编写和解读一些量子计算领域中的文章或者新闻。有想理解的量子词汇欢迎留言。

常见词汇

量子（Quantum）：量子一词来自拉丁语quantum，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”是光的单位。而延伸出的量子力学、量子光学等更成为不同的专业研究领域。

量子态（quantum state）：在量子力学里，量子态（英语：quantum state）指的是量子系统的状态。态矢量可以用来抽像地表示量子态。一般而言，量子态可以是纯态或混合态。上述案例是纯态。混合态是由很多纯态组成的概率混合。不同的组合可能会组成同样的混合态。当量子态是混合态时，可以用密度矩阵做数学描述，这密度矩阵实际给出的是概率，不是密度。纯态也可以用密度矩阵表示。量子纯态可以表征如电子自旋向上的量子态 |↑> 和电子自旋向下的量子态 |↓>。
一般而言，量子态可以是纯态或混合态。上述案例是纯态。混合态是由很多纯态组成的概率混合。不同的组合可能会组成同样的混合态。当量子态是混合态时，可以用密度矩阵做数学描述，这密度矩阵实际给出的是概率，不是密度。纯态也可以用密度矩阵表示。

量子计算（Quantum computing）：利用量子力学现象（例如态叠加原理和量子纠缠），研究计算系统 (量子计算机) ,来执行数据操作。

态叠加原理（Superposition principle）：假若一个量子系统的量子态可以是几种不同量子态中的任意一种，则它们的归一化线性组合也可以是其量子态。称这线性组合为“叠加态”。假设组成叠加态的几种量子态相互正交，则这量子系统处于其中任意量子态的概率是对应权值的绝对值平方。

量子纠缠（Quantum entanglement）：在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或者量子纠缠。

量子退火（Quantum annealing ）：是一种量子涨落特性的次经验算法，可以在目标方程拥有多组候选解答的情况下，找到全局最优解。量子退火主要用于解决离散空间有多个局部最小值的问题(组合优化问题)，像是寻找自旋玻璃的基态。

量子涨落（Quantum fluctuation）：量子涨落或量子真空涨落，真空涨落是在空间任意位置对于能量的暂时变化。从维尔纳·海森堡的不确定性原理可以推导出这结论。根据这原理的一种表述，能量的不确定性E与能量改变所需的时间t的乘积应为约化普朗克常量的一半。可以理解为在空间生成了由粒子和反粒子组成的虚粒子对。粒子对借取能量而生成，又在短时间内湮灭归还能量。看似违反了能量守恒定律但是这些产生的虚粒子的物理效应是可以被测量的。有时会被人误解为凭空出现的能量。可以通过狄拉克之海的思考来理解涨落问题。（参考：https://www.zhihu.com/question/44558685）

相干性（Coherence）：指的是，为了产生显著的干涉现象，波所需具备的性质。更广义地说，相干性描述波与自己、波与其它波之间对于某种内秉物理量的相关性质。

量子相干性（Quantum coherence）：在量子力学里，物质具有波动性（参阅德布罗意假说）。例如，杨氏双缝实验也可以用电子来完成。从电子源发射出的每一个电子可以穿过两条狭缝中的任何一条狭缝，因此，有两种抵达观察屏最终位置的方法可供选择。一种方法是将狭缝S1关闭，电子只能穿过狭缝S2；另一种方法是将狭缝S2关闭，电子只能穿过狭缝S1。每一种方法可以设定为一个特别的量子态。由于这两个量子态会相互干涉，因而影响电子抵达侦测屏最终位置的概率分布，也因此形成了观察屏的干涉图样。这相互干涉的能力展现出粒子的“量子相干性”。假若，试图探测电子到底是经过哪一条狭缝。那么，两个量子态的相位关系会不再存在。这双态系统就会被退相干化。这现象显示出量子系统的互补性。
假若，试图探测电子到底是经过哪一条狭缝。那么，两个量子态的相位关系会不再存在。这双态系统就会被退相干化。这现象显示出量子系统的互补性。

薛定谔波动方程（Schrödinger equation of wave）：基于德布罗意的物质波模型，埃尔温·薛定谔假设电子就是那样环绕原子核的波，然后对电子的行为进行了数学分析。他并没有把电子比作绕行星转动的卫星，而是直接把它们看作在原子核周围的某种波，并且指出描述各个电子的波函数都是互不相同的。而这种波函数所遵守的方程被命名为薛定谔方程，以纪念他为量子力学做出的贡献。薛定谔方程分别从三个性质出发描述了波函数
1.轨道的名称表明了粒子波的能量高低（离原子核越近能量越低）。
2.轨道的形状，球形或者其他。
3.轨道的倾角，决定了电子对z轴的磁矩。
4.自旋（沃尔夫冈·泡利加入）
这些特性被归纳成描述电子量子态的波函数。量子态代表着电子的这些特性，它适时的描述了电子的状态。

波函数坍缩（Wave function collapse）：对于单个电子而言，薛定谔的波动方程及其独特的波函数和海森堡的量子化的点粒子的概率分布一样在空间中散开，因为波本身就是分布很广的扰动而不是点粒子。因此，薛定谔的波动方程能够得到和不确定性原理相同的结果，因为位置的不确定性在波的扰动的定义中就表现出来了。只有海森堡的矩阵力学才需要定义不确定性，因为它是从粒子的观点出发的。薛定谔的波函数显示电子总是处于概率云中，在它像波一样展开的概率分布中。对于电子的位置可以直接测量而不会得到一个概率分布，是因为电子暂时失去了波的性质。没有了波的性质，薛定谔的关于电子的波的特性的预言也都失效了。对粒子的位置的测量使粒子失去了波的性质，以至于薛定谔的波动方程失效了。电子一经测量再也不能被波函数所描述，它的波长变得很短并且它与测量设备的粒子相互纠缠，这种现象就是所谓的坍缩。

不确定性原理/测不准原理（uncertainty principle）:粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。[1]:引言对于不同的案例，不确定性的内涵也不一样，它可以是观察者对于某种数量的信息的缺乏程度，也可以是对于某种数量的测量误差大小，或者是一个系综的类似制备的系统所具有的统计学扩散数值。

量子计算机定义

在量子计算机中，采用的是量子态编码信息，其存储量子信息的基本单元是量子位（Qubit）的量子双态系统。或者说是一个二位Hilbert空间。当然，也可以将量子计算机看成是一系列量子逻辑门构成的电路系统。量子逻辑门对量子寄存器进行操作，实现量子态的转换，即实现对量子寄存器中的数据进行计算、处理。

量子计算过程

首先，量子计算机能够制备出处于叠加、等振幅（等概率）的量子初态。其次，按照不同的算法，需要对量子的叠加态不断进行操作，如量子逻辑门操作或者幺正变换等。最后，对一系列量子最终的叠加态进行测量，使其以接近于1的概率他所到所希望的状态。从而来给出量子并行计算的输出结果。这里需要注意的是，一个量子计算网络能够被分解成多个不同的量子逻辑门，因此量子逻辑门是量子计算机的最基本构造单位之一。另外，量子计算机对量子初态进行演化的过程，也就是量子计算机可以沿着各条互不相同的路径同时对量子初态进行操作，最终获得对应塌缩后输出的量子叠加态。
___2019/04