什麼是量子運算？
量子運算有望解決我們地球面臨的一些最大挑戰，包括環境、農業、健康、能源、氣候、材料科學等領域。 對於其中一些問題，隨著系統的大小成長，傳統運算越來越受到挑戰。 當設計為調整規模時，量子系統可能會具有超過現今最強大超級計算機的功能。
本文說明量子運算的原則、與傳統運算的比較方式，以及其如何使用量子力學的原則。
量子運算的歷程記錄
由於傳統電腦難以模擬量子系統，因此誕生出了量子電腦的構想。 在 1980 年代，Richard Feynman 和 Yuri Manin 各自表示，基於量子現象的硬體在模擬量子系統時，其效率可能會勝過傳統電腦。
有許多方式可以了解量子力學為何難以模擬。 要在量子層級看到該狀況，最簡單的方式是在大量可能的組態 (稱為量子態) 中。
量子狀態會以指數方式成長
請考慮有 40$ 個可能位置的電子$系統，其中每個位置都可以有或沒有電子。 因此，該系統可能處於 2^{40}$ 組態中的任何$一個（因為每個位置都有兩個可能的組態，要麼有電子或空的組態）。 若要將電子的量子狀態儲存在傳統計算機記憶體中，需要超過 $130$ GB的記憶體！ 如果您將可能的位置 $數目增加到 41$，則 2^ 的組態 $數目會是 2^{41}$ 的兩倍，接著需要超過 $260$ GB 的記憶體來儲存量子狀態。
這個增加位置數目的遊戲無法無限期地遊玩。 在幾百個電子時，儲存系統所需的記憶體超過宇宙中的粒子數目：因此，傳統計算機不可能模擬量子動態。
將危機化為轉機
這種指數成長的觀察導致科學家提出一個強大的問題：我們是否可以使用利用完全相同物理規律的機器來模擬量子系統？ 我們是否可以使用這些機器來調查對我們至關重要的其他工作？ 這些問題導致了量子運算的起源。
1985 年時，David Deutsch 展示量子電腦可以有效率地模擬任何物理系統的行為。 這項發現是量子電腦可用來解決傳統電腦難以處理的問題的第一個指示。
1994 年時，Peter Shor 發現了一種可用於整數分解的量子演算法，其執行速度會以指數方式快過已知最好的傳統演算法。 由於其使求解整數分解成為可能，因此也能夠破解作為現今電子商務安全性基礎的眾多公開金鑰密碼編譯系統，包括 RSA 和橢圓曲線密碼編譯 (Elliptic Curve Cryptography)。 這項發現讓眾人對量子運算大感興趣，並發展出了可用於求解其他許多問題的量子演算法。
什麼是量子位元？
正如位元是傳統運算中的基礎資訊物件，Q 位元 (量子位元) 則是量子運算的基礎資訊物件。
量子位元是量子運算中的基本資訊單位。 量子位元在量子運算中所扮演的角色，與位元在傳統運算中所扮演的角色很類似，但其行為大不相同。 傳統位是二進位位，只能保留 0$ 或 $1$ 的位置$，但量子位可以保存所有可能狀態的迭加。 這表示量子位的狀態可以是0、1或兩者的任何量子迭加。 0 和 1 有無限可能的迭加，而且每個迭加都是有效的量子位狀態。
在量子運算中，信息會編碼為狀態 0 和 1 的迭加。 例如，使用 8 位時，您可以編碼 $256$ 個不同的值，但您必須選擇其中一個值進行編碼，因為 256 個值無法共存。 使用 8 個量子位，您可以同時編碼 256 個值。 此行為是因為量子位可能處於所有可能狀態的迭加中。
如需詳細資訊，請參閱 量子運算中的量子位。
建置量子計算機的需求為何？
量子電腦是利用量子力學現象的電腦。 量子電腦會使用物質的量子態來儲存和計算資訊。 &他們可以引用：程式&商;量子現象比傳統計算機更快或更好。
建置量子計算機是一項複雜的工程挑戰，需要深入瞭解量子力學，以及以最小規模控制量子系統的能力。 建置量子計算機時，請務必思考如何建立量子位，以及如何儲存量子位、操作量子位，以及讀取計算的結果。
這就是為什麼科學家和工程師正在研究不同的量子位技術來建置量子計算機，因為每個技術都有自己的優點和缺點。 最常使用的量子位元技術是離子阱量子位元、超導量子位元和拓撲量子位元。 對於量子位元儲存的部分方法，儲存量子位元的單位會保持在接近絕對零度的溫度，以最大化其一致性並減少干擾。 其他裝載量子位元的類型則會使用真空室協助將震動降到最低，並讓量子位元保持穩定。 您可以使用各種不同的方法 (包括微波、雷射和電壓) 將訊號傳送至量子位元。
量子電腦的五個準則
良好的量子電腦應具備下列五個功能：
- 可調整：其可以具有許多量子位元。
- 可初始化：其可以將量子位元設定為特定量子態 (通常是 0 量子態)。
- 復原性：其可以讓量子位元長時間處於疊加態。
- 通用：量子電腦不需要執行每個可能的運算，只需要執行一組稱為通用集的運算。 一 組通用量子作業 可讓任何其他作業分解成一連串的量子作業。
- 可靠：其可以精確地測量量子位元。
這五個準則通常稱為量子計算的 Di Vincenzo 準則 。
建置符合這五個準則的裝置，是人類有史以來最嚴苛的工程挑戰之一。 Azure Quantum 提供各種具有不同量子位技術的量子運算解決方案。 如需詳細資訊，請參閱 Azure Quantum 提供者的完整清單。
瞭解量子現象
量子現像是區別量子運算與傳統運算的基本原則。 瞭解這些現象對於掌握量子計算機的運作方式以及為何擁有這種潛力至關重要。 最重要的兩個量子現象是迭加和糾纏。
疊加
想像一下，你在客廳鍛煉。 你一路向左轉，然後一路向右。 現在，請同時向左和向右轉。 你不能做到這一點（至少不分兩個，不分裂自己）。 顯然，您無法同時處於這兩種狀態， 您無法同時面對左方和向右。
不過，如果您是量子粒子，則由於一種稱為迭加（也稱為一致性）的現象，您可以有一定機率的向左朝右和一定機率。
不同於傳統粒子，如果兩個狀態 $A$ 和 $B$ 是量子粒子的有效量子狀態，則狀態的任何線性組合也是有效的量子狀態： $\text{量子位狀態}=\alpha A + \beta B$。 這個量子狀態 $A$ 和 $B$ 的線性組合稱為迭加。 在這裡，$\alpha$和 $\beta$ 分別是 A$ 和 $B$ 的$機率幅度，讓 $|\alpha|^ + |\beta|^{2}{2}={ 1。$
只有離子、電子或超導電路等量子系統可以存在於啟用量子運算能力的迭加狀態中。 電子等量子粒子有自己的「朝左或對右」屬性，即 旋轉，稱為上下，因此電子的量子狀態是商的 &迭加：啟動&引號; 和 "微調&引號;。
如果您想要深入了解並練習迭加，請參閱 訓練課程模組：使用 Q#探索迭加。
糾纏
糾纏 是兩個或多個量子系統之間的量子相互關聯。 當兩個量子位糾纏時，它們會相互關聯並共用其狀態的資訊，讓個別量子位的量子狀態無法獨立描述。 使用量子糾纏時，您只能知道全域系統的量子狀態，而不是個別狀態。
糾纏的量子系統即使在大距離之間分隔時，仍會維持這種相互關聯。 這表示您套用至某個子系統的任何作業或程式也與其他子系統相互關聯。 因此，測量一個量子位的狀態會提供另一個量子位狀態的相關信息，這個特定屬性在量子運算中非常有用。
如果您想要深入瞭解，請參閱教學課程：使用 和 探索量子糾纏，以實際實作查看訓練課程模組：使用糾纏Q#傳送量子位。