科学家致力于将量子计算机的特性带到经典计算机

来自林雪平大学的一组科学家已经能够展示量子计算机的工作原理，并且他们能够在经典计算机中模拟其特性。

“我们的结果应该在确定如何构建量子计算机方面具有重要意义，”Jan-Åke Larsson教授说。

瑞典、欧洲和世界其他地区已经投入大量资源和专注于研究，以创建超快的强大量子计算机。预计在十年内将建造一台瑞典量子计算机，欧盟已经将量子技术确定为其主要项目之一。

目前，我们只有少数几个有用的算法可以用于量子计算机。尽管如此，这种技术在模拟生物、化学和物理系统方面将非常重要。其中许多系统对于我们目前最强大的计算机来说太复杂了。在计算机中，一个比特可以取值为0或1，但量子比特可以取所有中间值。这意味着量子计算机不需要为每个计算执行那么多操作。

Jan-Åke Larsson教授和他的博士生Niklas Johansson来自信息编码部门电气工程学院的林雪平大学，已经弄清楚了为什么量子计算机比经典计算机更强大。他们还研究了量子计算机内部发生了什么。

研究结果已发表在科学期刊Entropy上。

“我们已经证明，主要区别在于量子计算机每个比特有两个自由度。通过在经典计算机中模拟额外的自由度，我们可以以与量子计算机相同的速度运行某些算法，”Jan-Åke Larsson说。

该团队创建了一个名为量子模拟逻辑（QSL）的模拟工具。它允许他们在经典计算机上模拟量子计算机的操作。量子模拟逻辑具有一个特性，这是量子计算机所具有而经典计算机所不具备的特性。即每个比特的额外自由度。

“因此，每个比特有两个自由度：可以将其与一个机械系统进行比较，每个部分都有两个自由度——位置和速度。在这种情况下，我们处理的是计算比特——它们携带有关函数结果的信息，以及相位比特——它们携带有关函数结构的信息，”Jan-Åke Larsson解释说。

该团队使用QSL工具来研究一些负责管理函数结构的量子算法。其中许多算法在模拟中运行的速度与在量子计算机中运行的速度一样快。

“结果表明，量子计算机的更高速度来自于其能够在额外的信息自由度中存储、处理和检索信息。这使我们能够更好地理解量子计算机的工作原理。此外，这些知识应该使构建量子计算机变得更容易，因为我们知道哪个特性对于量子计算机的正常工作最为重要，”Jan-Åke Larsson说。

该团队还使用电子元件构建了一个物理版本。他们使用了类似于量子计算机中使用的门，并且工具包模拟了量子计算机的工作原理。这可以让学生和其他人模拟和了解量子密码学和量子传送等量子计算机的工作原理。

这项新研究可以为量子计算和人工智能之间日益增加的交叉点做出贡献。其中一个交叉点是特征映射。IBM研究、MIT和牛津科学家进行的其他研究已经表明，随着量子计算机变得更加强大，它们将能够对复杂的数据结构执行特征映射，这是经典计算机无法做到的。特征映射在机器学习中很重要，它可以带来更有效的人工智能，能够识别经典计算机无法检测到的数据模式。

随着这两个领域的研究不断进行，将会有越来越多的交叉点出现。