了解量子計算- Azure Quantum - Microsoft Docs

量子電腦是可控制的量子機械裝置，其會利用量子物理的屬性來執行計算。

針對某些運算工作，量子運算可提供指數型加速。

這些加速可能歸功於量子力學的三種 ... 跳到主要內容 已不再支援此瀏覽器。

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下載MicrosoftEdge 其他資訊 目錄 結束焦點模式 閱讀英文 儲存 目錄 閱讀英文 儲存 Twitter LinkedIn Facebook 電子郵件 目錄 了解量子計算 發行項 07/20/2022 7位參與者 本文內容 量子運算有望解決地球上的某些最大挑戰：在環境、農業、健康、能源、氣候、材料科學等領域，以及我們尚未遇過的其他問題。

面對部分問題，因為系統的大小成長，傳統運算逐漸遇到障礙。

設計為調整時，量子系統可能會有一些功能超過我們最強大的超級電腦。

隨著量子研究人員、科學家、工程師和企業領導者的全球社群持續共同作業，以提升量子生態系統，我們預期會看到量子影響加速到每個產業。

就如同位是傳統運算中資訊的基本單位，量子位(量子位)是量子運算中的基本資訊單位。

雖然位元(或二進位位數)可包含0或1的值，但量子位元可包含0、1或0與1的量子疊加值。

如需量子運算的開始與動機的詳細資訊，請參閱量子運算記錄和背景。

AzureQuantum是一個開放生態系統，可在現今量子硬體的各種選擇上建置量子運算解決方案，並提供彈性來使用您慣用的開發工具，並支援Cirq、Qiskit和Q#。

您可以使用熟悉且受信任的Azure平臺來瞭解如何開發量子演算法，以及如何在來自多個提供者的實際硬體上撰寫和執行這些演算法。

瞭解如何建立AzureQuantum工作區，並開始在實際的量子硬體上提交量副程式。

初學使用者自動獲得免費的AzureQuantum點數，在建立您的工作區時，可用於每個參與的量子硬體提供者(各500美元)。

如需更多點數，請向AzureQuantum點數計劃申請。

提示 免費試用版。

如果您沒有Azure訂用帳戶，您可以建立Azure免費帳戶(查看學生)的免費Azure帳戶。

量子運算和AzureQuantum可以用於什麼？ 量子電腦並非可以更快完成所有運算的超級電腦。

量子運算研究的其中一個目標，就是要研究量子電腦可以比傳統電腦更快解決哪些問題，以及加速的速度。

量子電腦非常適用于需要計算大量可能組合的問題。

您可以在許多領域中找到這類問題，例如量子模擬、密碼編譯、量子機器學習和搜尋問題。

如需Microsoft量子運算研究的最新資訊，請參閱MicrosoftResearchQuantumComputing頁面。

量子模擬 量子機制是宇宙的基礎「作業系統」。

其描述本質的基本構成要素的表現方式。

本質的行為，例如化學反應、生物反應和材質構成物，通常牽涉到許多主體的量子互動。

如果是從本質模擬量子機制系統(例如分子)，量子運算的前景是一片看好，因為量子位元可以用來代表問題中的自然狀態。

我們可以建立模型的量子系統範例包括光合成、超導率，以及複雜的分子形成。

QuantumDevelopmentKit(QDK)隨附量子化學程式庫，可模擬量子電腦上的電子結構問題和量子動態。

這類模擬的範例是簡單的分子能源估計分子的地面狀態。

您可以在程式代碼範例中找到這個和更多QDK和AzureQuantum範例。

量子加速 量子運算研究的其中一個目標，就是要研究量子電腦可以比傳統電腦更快解決哪些問題，以及加速的速度。

兩個已知的範例是Grover的演算法和Shor的演算法，分別產生多項式和指數加速，而非其傳統對應專案。

在量子電腦上執行的Shor演算法可能會中斷傳統密碼編譯配置，例如Rivest–Shamir–Adleman(RSA)配置，其廣泛使用於電子商務以進行安全的資料傳輸。

此機制根據分解質數的實際難度，使用傳統演算法分解質數。

量子加密藉由運用基本物理而非複雜度假設，來保證資訊安全性。

就像Shor的分解演算法一樣，隱藏的班次問題是量子電腦對於最佳已知傳統演算法具有指數優勢的自然問題來源。

這最終可能有助於解決遞積問題，並讓我們有效率地尋找複雜資料集中的模式。

事實上，量子電腦可以以高速計算卷積，而後者則是根據量子電腦計算Fourier轉換的速度非常快速。

在AzureQuantum工作區的範例資源庫中，您會找到隱藏的ShiftsJupyterNotebook範例，(需要Azure帳戶)。

Grover的演算法可加速非結構化資料搜尋的解決方案，以比任何傳統演算法少的步驟執行搜尋。

其實，任何問題讓您可以檢查指定的$x$值是否為有效解決方案(是非題)，即可制定搜尋問題的公式。

以下是一些範例： 布林值可滿足性問題\(英文\)：這組布林值$x$是否為滿足指定之布林值公式的轉譯(指派給變數的值)？ 旅行推銷員問題\(英文\)：$x$是否說明連接所有城市的最短可能迴圈？ 資料庫搜尋問題：資料庫資料表是否包含記錄$x$？ 整數分解問題：固定數字$N$是否可被數字$x$整除？ 若要實際實作Grover的演算法來解決數學問題，請參閱AzureQuantum工作區範例資源庫中的Grover搜尋Jupyter筆記本，(需要Azure帳戶)，或參閱本教學課程以實作Grover的搜尋演算法。

如需更多量子演算法範例，請參閱程式代碼範例。

量子機器學習 傳統電腦上的機器學習革新了科學界和企業界。

不過，由於將模型定型的運算成本高昂，因此會阻礙其發展和適用領域。

量子機器學習的領域會探索如何設計和實作量子軟體，以便讓機器學習的執行速度快過傳統電腦。

QuantumDevelopmentKit(QDK)隨附量子機器學習程式庫，可讓您執行混合式量子/傳統機器學習實驗。

此程式庫包含範例和教學課程，並且會提供必要工具供您實作新的量子和傳統混合演算法(以電路為中心的量子分類器)，以解決受監督的分類問題。

量子運算如何解決問題？ 量子電腦是可控制的量子機械裝置，其會利用量子物理的屬性來執行計算。

針對某些運算工作，量子運算可提供指數型加速。

這些加速可能歸功於量子力學的三種現象：疊加、干擾與糾纏。

疊加 想像一下，您正在客廳運動。

您先把身體往左轉到底，然後再往右轉到底。

現在，同時往左和往右轉到底。

您不可能做到這一點(至少不把自己切成兩半是辦不到的)。

很明顯地，您無法同時處於這兩種狀態，您不可能同時間既面向左邊又面向右邊。

不過，如果您是量子粒子，由於有稱為疊加(也稱為相干性)的現象，您會有一定的概率面向左邊以及一定的概率面向右邊。

不同於傳統的粒子，如果兩個狀態$A$和$B$是量子粒子的有效量子狀態，即任何狀態的線性組合也是有效的量子狀態：$\text{qubitstate}=\alphaA+\betaB$。

量子狀態$A$和$B$的線性組合即為疊加。

以下$\alpha$和$\beta$各為$A$和$B$的機率幅，例如$|\alpha|^{2}+|\beta|^{2}=1$。

只有離子、電子超導電路等量子系統可存在於疊加狀態，並啟用量子運算的能力。

例如電子的量子物件有自己的「向左或向右」屬性，也就是旋轉，稱為向上或向下，因此電子的量子狀態是「向上旋轉」和「旋轉向下」的迭加。

一般而言，為了附會傳統的二進位運算，如果量子系統可能處於兩種量子狀態，這些狀態即稱為0狀態和1狀態。

量子位元和概率 傳統電腦會以位元儲存和處理資訊，位元的狀態可以是1或0，但不會同時是兩者。

量子運算的等價物是量子位元。

量子位元是可疊加兩個量子狀態(0和1)的任何量子系統。

每個可能的量子狀態都有相關的機率幅。

只有在測量量子位元後，量子位元的狀態會根據相關的機率，塌縮為0狀態或1狀態，所以特定機率會取得其中一個可能的狀態。

量子位元會塌縮向哪一方的概率則由量子干涉決定。

測量期間為了干涉特定結果的機率，量子干涉會影響量子位元的狀態，而此機率狀態便是量子運算卓越的能力。

例如，傳統電腦有兩個位元，每個位元會儲存1或0，因此合起來您可以儲存四個可能值：00、01、10和11，但一次只會儲存其中一個。

但對於疊加的兩個量子位元來說，每個量子位元可以是1或0或兩者，因此您可以同時表示相同的四個值。

如果有三個量子位元，您就可以表示八個值，有四個量子位元就可以表示16個值，依此類推。

如需詳細資訊，請參閱量子運算的量子位元。

糾纏 量子力學最有趣的現象是兩個以上的量子系統糾纏的能力。

糾纏是量子系統間的量子相互關聯。

量子位元糾纏時，會形成全域系統，使個別子系統的量子狀態無法獨立描述。

當全域系統的狀態無法撰寫為子系統的線性組合時，兩個系統即互相糾纏。

即使遠距離分隔，糾纏的量子系統仍可維持相互關聯。

所以無論您對單一子系統套用什麼作業或程序，都會相互關聯另一個子系統。

由於糾纏在一起的量子位元之間會相互關聯，因此測量某個量子位元的狀態，就會提供另一個量子位元狀態的相關資訊，這個特性對於量子運算非常有用。

注意 兩個量子位元之測量間的關聯性，並不一定代表這兩個量子位元是糾纏的。

傳統位元也可能會相互關聯。

當兩個量子位元之間具有傳統位元無法重現的關聯性時，便代表其是糾纏的。

雖然這個傳統和量子關聯性之間的差異很細微，但對於量子電腦所提供的加速而言卻是必要的。

如果您想要深入瞭解，請參閱使用和AzureQuantum探索量子糾纏Q#的教學課程。

量子電腦和量子模擬器 量子電腦是結合傳統和量子運算能力的電腦。

目前的量子電腦對應混合式模型：控制量子處理器的傳統電腦。

量子電腦的開發仍在其開發階段中。

量子硬體成本很高，而且大部分的系統都位於大學和研究實驗室中。

傳統電腦使用的是我們熟悉的矽基晶片，量子電腦所使用的則是量子系統，例如原子、離子、光子或電子。

不過，這項技術正在前進，但量子系統的公用雲端存取有限。

AzureQuantum可讓您一次為多個平臺建立量子演算法，同時保留針對特定系統調整相同演算法的彈性。

您可以從許多程式設計語言中選擇，例如Qiskit、Cirq，以及在Q#多個量子系統上執行您的演算法。

在AzureQuantum上，您可以輕鬆地同時探索現今的量子系統，並準備好在未來調整的量子系統。

秘訣 第一次使用者會在建立工作區時，自動取得免費$500美元(美元)AzureQuantum點數，以便與每個參與的量子硬體提供者搭配使用。

如果您已使用所有點數，但還需要更多，可以申請AzureQuantum點數方案。

如需詳細資訊，請參閱AzureQuantum點數計畫的應用程式。

AzureQuantum硬體 量子電腦有三個主要部分： 裝載量子位的裝置 在量子位上執行量子運算的方法(也稱為量子閘道)並加以測量 執行程式並傳送指示的傳統電腦 量子位對環境干擾很弱且高度敏感。

對於某些量子位元儲存方法來說，裝載量子位元的單位會保持在比絕對零度略高的溫度，以便其能夠達到最大相干性。

其他類型的量子位元裝載則會使用真空室以便將震動降到最低，並使量子位元保持穩定。

您可以根據量子位的類型，使用各種方法執行作業，包括電壓、雷射和電壓。

量子電腦面臨許多挑戰，因此難以正常運作。

量子電腦的錯誤修正是一大問題，而且擴大(新增更多量子位元)時將會提高錯誤發生率。

基於這些限制，桌上型量子電腦想要問世仍是遙遙無期，但具有商業可行性的實驗室型量子電腦會比較早問世。

Microsoft與量子硬體公司合作，以提供量子硬體的雲端存取權。

透過AzureQuantum平臺和QDK，您可以在不同類型的量子硬體上探索和執行量副程式。

以下是目前可用的量子目標： Quantinuum：離子阱系統有高精確度、完全連線的量子位元，及執行中間量子電路測量的能力。

IonQ：最多11個完全連接的量子位動態重新設定可截獲的電離量子電腦，可讓您在任何配對之間執行雙量子位閘道。

如需詳細資訊，請參閱完整的量子運算目標清單。

AzureQuantum模擬器 目前真正的量子硬體使用受限於資源和預算。

量子模擬器的目的是為了執行量子演算法，讓您輕鬆地測試和偵錯演算法，然後在實際硬體上執行，並確信結果符合預期。

量子模擬器是在傳統電腦上執行的軟體程式，可讓您在環境中執行及測試量副程式，以預測量子位對不同作業的回應方式，讓您輕鬆地測試及偵錯演算法，然後在真實硬體上執行，並確信結果符合預期。

QuantumDevelopmentKit(QDK)包含不同類別的量子模擬器，代表模擬相同量子演算法的不同方式，例如模擬大型系統的疏鬆模擬器、模擬量子演算法的雜訊模擬器，以及資源估算器。

如需詳細資訊，請參閱量子模擬器。

如果您有Azure帳戶，請在AzureQuantum工作區的範例資源庫中，找到數個使用量子模擬器的JupyterNotebook範例。

瞭解如何開始使用Q#和AzureQuantumNotebook。

後續步驟 量子運算的記錄和背景 什麼是Q#程式設計語言和Quantum開發套件(QDK)？ 設定AzureQuantum 在AzureQuantum中建立量子型亂數產生器 量子模擬器 Q#程式庫 本文內容