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即使谷歌在去年就宣布了在量子計算機上的重大突破，并對其前景極其樂觀，當前人們仍普遍認為量子計算機尚未做好實際應用的準備，談實用化為時尚早。

本文将從量子計算機編程的基本原理談起，為你解開誤解。量子計算機編程的免費開源軟件可不少，如IBM的QISKit以及量子機器學習軟件PennyLane。本文還将告訴你如何在IBM雲的量子計算機上運行程序。

量子時代，其實離我們并不遙遠。

什麼是量子計算機？

先來談談量子計算技術。目前，手機、筆記本電腦或者平闆電腦中的芯片都是由矽構成的。最常見的技術之一是使用一種特殊的光刻技術将細小的微觀圖案蝕刻到矽芯片上。這些微小的圖案使得芯片能夠以可控的方式傳輸電子。

目前這些圖案已經盡可能小了，達到了物理極限。這些圖案能以納米級的精度進行批量制造，其典型結構大小大約為10納米，即20到50個原子長度。

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現在已存在能操縱單個原子的更精确的技術，利用該技術創造出的架構，可以做到更小。但這種制造過程會更慢一些，所以批量生産這些小得多的、原子精度更高的芯片會更困難。

構造精度如此之高的芯片時會遇到一個困難，即電子和原子的量子行為。電子具有波粒二象性。這意味着在某些情況下，電子的行為更像波而不是粒子，因此當蝕刻圖案太小時，将電子限制在該圖案上就變得更加困難。電子會“擴散”并發生洩漏，導緻流過矽芯片中微小通道的電流出現問題。

這種洩漏意味着芯片不能正常工作，電子的類波行為成為問題，被稱為“摩爾定律之死”，這意味着過去幾十年人們所期待的計算機性能的增長的停止。計算機芯片的生産規模和效率确實存在着物理限制，市場不會一直增長。

而量子計算機旨在将量子力學行為“問題”作為處理信息的計算優勢，其處理方式常用的二進制（1和0）完全不同。可把量子計算機看作專用集成電路（ASIC），雖然形容不夠準确，但足以解釋問題。将量子計算機當作一種特殊的計算機芯片，旨在比标準矽芯片更高效地執行特定計算。下文将展示如何表示QISKit中的基本計算單位。

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QISKit中的量子位狀态

首先，下載一個免費的Anaconda以便使用Jupyter Lab。下載完成後，打開Anaconda 導航，并且打開Jupyter Lab的一個實例。可在Jupyter notebook或Jupyter Lab中使用pip安裝QISKit。

接下來，導入qiskit和matplotlib。

現在，如果想要在布洛赫球上繪制“自旋向上”狀态，可以鍵入以下命令。

鍵入以下命令，可繪制量子位的“自旋向下”狀态。

一般來說，量子位狀态不再像經典的二進制信息位那樣局限于簡單的0或1。量子位可以處于無限多的狀态，每個狀态都表示為布洛赫球上的一個點。自旋向上對應于0态，自旋向下對應于1态，但量子位也可以是這兩種狀态的組合。布洛赫球上的每一點，就像地球表面的坐标一樣，代表着一種獨特的量子位狀态。

量子位處于無限多個不同狀态，這種能力與量子物理學中的“疊加”概念有關。例如，布洛赫球上的如下狀态是0态和1态的均勻混合，所以它是這兩個狀态的疊加。

這個“向右旋轉”的位置表示為0态和1态的“疊加”：

或者是0态和1态的“線性組合”。

不懂線性代數的引用也沒關系。現在，如果想對自旋上升狀态（或0态）的單個量子位進行操作，将其翻轉為自旋下降狀态（或1态），可以使用非門(NOT-gate)。

非門或“泡利-X 門”(Pauli X-gate)是量子邏輯門。量子邏輯門在概念上與經典邏輯門相似，但并不完全相同。量子邏輯門在量子位上工作，就像經典邏輯門在位上工作一樣，但量子邏輯門總是可逆的，并由（酉）矩陣乘法表示。可在QISKit中創建量子電路，如下所示：

現在，如果想要使用非門對單個量子位進行操作，可在QISKit中使用以下代碼。

這表明量子位狀态已經翻轉為自旋向下。這是量子算法背後的基本思想。量子邏輯門也可以通過IBM軟件實現，相當于對用于量子計算機芯片的微波脈沖進行編程。

利用量子計算機進行程序設計，也将會是這樣實現的。

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