AI公開課：18.05.05 施堯耘(阿里云量子技術CS)—清華AI第四講之《人工智能與量子計算》Quantum課堂筆記——帶你了解量子計算

導讀
清華大學“人工智能前沿與產業趨勢”系列講座的第四講。由阿里云量子技術首席科學家施堯耘親臨現場，與清華大學海峽研究院大數據AI中心專家委員、百度七劍客之一、酷我音樂創始人雷鳴老師、清華大學姚期智講座教授段路明教授、昆仲資本創始管理合伙人王鈞老師共同參與，深度探討人工智能時代量子計算的技術產業和投資的趨勢與機遇。

感悟：借用雷老師的一句話，“努力的重要程度，有時候，遠遠不如選擇對的方向！”→選擇比努力更加重要！

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目錄

現場圖片

當前研究

概念理解

量子計算簡介

基本原理

What

PK晶體管

About 量子比特

About 量子糾纏

How

For example

Development：世界上第一臺商用量子計算機

Conclusion

For you

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現場圖片

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當前研究

微軟的Quantum、加拿大量子計算公司D-Wave、中科大研制出非局域量子模擬器

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概念理解

量子計算編程語言Q#是微軟量子計算機全系統層次Solid的一部分。
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量子計算簡介

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照于傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。

? ? ?量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處于“ 0” 態就是處于“ 1” 態. 在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態或“ 1” 態外，還可處于疊加態（superposed state）。

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基本原理

量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比于經典信息處理具有更大潛力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四種狀態的疊加狀態。隨著量子比特數目的增加，對于n個量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態的疊加，配合量子力學演化的并行性，可以展現比傳統計算機更快的處理速度。

What

量子計算機依賴出現在自然界的量子力學現象――基本上是物質的兩種重要狀態，名為疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。物質的這些狀態被用于計算時，有望提升我們對復雜數據集執行計算的能力。 ?這里的重要區別在于量子計算機不同于傳統計算機，而傳統計算機是依賴晶體管的二進制數字電子計算機。

PK晶體管

普通智能手機里面就有幾十個晶體管，晶體管可在兩種狀態之間切換：0或1，即開或關，從而計算信息。量子計算機并不使用晶體管（或經典比特），而是使用量子比特（Qubit）。

About 量子比特

量子比特是量子計算機中基本的信息單位。量子比特可能是-1或1，也就是同時擁有這兩個值的屬性，這就叫疊加。所以，執行計算方面立即有了更多種可能性。如今市面上最先進的量子計算技術可以使用多達1000個量子比特。

About 量子糾纏

量子比特可以利用一種名為量子糾纏的狀態；在這種狀態中，成對或成組的量子粒子連接起來，那樣每個粒子就無法獨立于其他粒子來加以描述，即便粒子之間隔著很遠的距離（比如宇宙的兩端）。愛因斯坦稱之為“遠距離的幽靈行動”（spooky action at a distance），它正是量子傳輸的理論基礎。

How

該技術可以應用于似乎有無限變量的行業問題，那些變量組合構成了一系列數量非常多的潛在解決方案。這些巨大的變量問題通常被稱為優化問題。

For example

設想一下電話簿，然后設想你要在該電話簿中查詢某個特定的電話號碼。使用晶體管的經典計算機會搜索電話簿的每一行，直至找到并返回匹配號碼。相比之下，由于擁有量子比特，量子計算機可以同時評估每一行，并返回結果，速度比經典計算機要快得多，因而可以立即搜索整本電話簿。
再比如，為北美的每個人優化每條航線、機場時刻表、天氣數據、燃料成本和乘客信息等，從而獲得最具有成本效益的解決方案。經典計算機通常需要幾千年時間來計算解決這個問題的最佳方案。從理論上來說，每臺量子計算機的量子比特數量增加后――這一幕已成為現實，量子計算機就可以在幾小時內或更短時間內完成這項任務。

Development：世界上第一臺商用量子計算機

加拿大量子計算公司D-Wave于2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實用型量子計算機“Orion”（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。
2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統由2000個qubit構成，可以用于求解最優化、網絡安全、機器學習、和采樣等問題。對于一些基準問題測試，如最優化問題和基于機器學習的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當前高度專業化的算法1000到10000倍。

Conclusion

量子計算機依賴量子力學的基本原理來加快解決復雜計算這一過程。這些計算通常包括看似數量不可估量的變量，應用廣泛，從高級基因組學到金融等行業，不一而足。此外，量子計算機已經在重塑網絡安全的一些方面，這歸功于它們能夠基于素數因子分解來破解代碼，以及能夠提供高級的加密形式，以保護敏感通信。

For you

你需要明白，由于量子比特以及疊加和糾纏現象，量子計算機可以同時處理大量計算任務，而且速度比傳統計算機快得多。

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其他參考文獻
5分鐘搞懂量子計算到底是什么鬼東東？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的AI公开课：18.05.05 施尧耘(阿里云量子技术CS)—清华AI第四讲之《人工智能与量子计算》Quantum课堂笔记——带你了解量子计算的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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