怎么在Python中使用qiskit包進行量子計算機編程

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什么是量子計算機？

首先，讓我們談?wù)劻孔佑嬎阋约澳隳軓倪@項技術(shù)中期待什么。你會發(fā)現(xiàn)在手機，筆記本電腦或平板電腦內(nèi)部的計算機芯片都是由硅構(gòu)成的。最常見的技術(shù)之一是：使用一種基于光的特殊光刻技術(shù)將微觀圖案蝕刻到硅芯片中。這些微小的圖案使我們能夠以可控方式通過硅芯片傳輸電子(電流)。目前，我們已經(jīng)達到了這些微小圖案可以達到的物理極限?，F(xiàn)在我們可以以納米級精度有效大量創(chuàng)建它們，一個典型的體系結(jié)構(gòu)大約為10納米，大約20到50個原子。

目前存在可以更精確操縱單個原子的技術(shù)，并且我們目前可以創(chuàng)建比你通常在計算機或電話中發(fā)現(xiàn)的架構(gòu)還要小的架構(gòu)。不過這種制造過程要慢一些， 因此要大量生產(chǎn)這些小得多的，原子尺度的芯片要困難些。在構(gòu)造具有如此小特征的計算機芯片時，我們遇到的困難是電子和原子的量子行為。電子具有波粒二相性，這意味著，在某些情況下，電子的行為類似于波，而不是粒子，因此，如果蝕刻的圖案太小，將其限制在硅芯片上的微小蝕刻圖案上將變得更加困難。電子“擴散”并發(fā)生電子泄漏(量子隧穿效應(yīng))，從而導致部分電流流過硅芯片中微小通道。這種泄漏意味著芯片無法達到預期的性能，并且電子作為波的行為將成為問題。這通常被稱為“摩爾定律之死”，它代表了過去幾十年來，我們所期望計算機性能增長的停滯。如果你將賭注押在假設(shè)市場不斷增長上，那么這將是一個很大的問題，因為計算機芯片的大小和效率確實存在物理限制。

量子計算旨在將這種量子力學的“問題”作為一種計算優(yōu)勢，通過使用它，來以不同于我們的手機和筆記本電腦中通常的二進制1和0的方式來處理信息。量子計算機的一種有用方式是作為ASIC  (專用集成電路)，這不是確切的，但卻不是一個壞的類比。將其視為一種特殊的計算機芯片，以能夠比標準硅芯片更有效地執(zhí)行特定類型的計算。讓我們看一下QISKit中基本計算單位的表示方式。

QISKit中的量子態(tài)

首先，您需要下載免費的 Anaconda，以便您可以使用Jupyter Lab。下 載Anaconda之后，在Anaconda導航中打開Jupyter Lab的實例，要安裝QISKit，你只需在Jupyter notebook或Jupyter Lab中使用pip。

接下來，你需要導入qiskit 和matplotlib庫。

現(xiàn)在，如果要在Bloch Sphere上繪制“Spin-Up”態(tài)，則可以鍵入以下命令：

我們可以使用以下命令繪制量子比特的“Spin-Down"狀態(tài)。

通常，量子比特狀態(tài)不再局限于簡單的0或1（經(jīng)典的二進制位），量子比特可以處于無限多個狀態(tài)。每個狀態(tài)都可以表示為Bloch球面上的一個點。Spin-Up對應(yīng)于狀態(tài)0, Spin-Down 對應(yīng)于狀態(tài)1，但是量子比特也可以處于這兩種狀態(tài)的組合中。Bloch球上的每個點都像地球表面上的坐標一樣， 代表唯一的量子比特狀態(tài)。量子比特有無限多個不同狀態(tài)的這種特性與量子力學中“疊加態(tài)”概念有關(guān)。例如，Bloch球上的以下狀態(tài)是狀態(tài)0和狀態(tài)1的均勻混合，因此它處于這兩個狀態(tài)的疊加狀態(tài)。

此“Spin-Right”位置表示為“疊加態(tài)”,

或0狀態(tài)和1狀態(tài)的“線性組合”。如果您不理解線性代數(shù)表達，那也沒關(guān)系?，F(xiàn)在，如果我們想在Spin-Up狀態(tài)(或狀態(tài)0)下對單個量子比特進行操作，并將其翻轉(zhuǎn)為Spin-Down (或狀態(tài)1)，則可以使用非門。非門或“Pauli X門”是量子邏輯門。量子邏輯門在概念上與經(jīng)典邏輯門相似，但并不完全相同。它們對量子比特的操作非常類似于經(jīng)典邏輯門可以對比特進行的操作，但是它們始終是可逆的，并由單位矩陣乘法表示。我們可以在QISKit中創(chuàng)建一個量子電路，如下所示:

現(xiàn)在，如果要使用非門對單個量子進行操作，可以在QISKit中使用以下代碼進行操作。

然后，我們可以定義一個設(shè)備來運行電路。

最后，我們可以輸出通過運行電路而得到的態(tài)矢量。

這表明我們已經(jīng)將量子比特狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為Spin-Down，這是量子算法的基本思想。在后續(xù)文章中，我們將研究如何在實際硬件上實現(xiàn)這些量子邏輯門。同樣也可以使用IBM的軟件來完成，并且可以對量子計算機芯片的微波脈沖進行編程。

到此，關(guān)于“怎么在Python中使用qiskit包進行量子計算機編程”的學習就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續(xù)學習更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>