2022年计算机统考题库，2022年计算机统考题库简答题
12月3日，一则关于量子计算机的重磅论文发表于《科学》，中国潘建伟，陆朝阳等人组成的研究团队与中科院上海微系统研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76光子量子计算原型机“九丈”，实现了实用化前景《高斯玻色取样》快速解决任务！
其速度比目前超级计算机的计算速度快100亿倍，比谷歌去年发布的53超导量子比特计算机“法国梧桐”快100亿倍。中国的量子计算机已经达到了事实上的“量子霸权！”
量子计算机和传统计算机有什么区别？
传统的经典计算机体系结构是由冯·诺依曼确定的，包括运算单元、控制器、存储器和输入输出设备。所谓中央处理器CPU，不管输入什么数据，到达中央处理器的时候只有两种信号，一种是低电平，一种是高电平，分别代表0和1。
没错，经典的冯·诺依曼结构使用的是二进制，可以用门电路进行运算，NOR、NOR这三种结构构成了CPU中最基本的单元。丢弃一个电平信号，当然是计算结果中不需要的部分，所以这个逻辑电路在运行中会一步步往下走，最后会出现一个结果，这时候丢弃的电平就会在CPU中消散在内部，这就是CPU发热的原因！
所以传统电脑的CPU有两个缺点。首先是计算是串行的，只能排队不能同时启动，或者可以同时设置多个通道，但原则上还是串行的。二是无论传统CPU如何设计，都逃不掉的宿命就是发热。这是那些被遗弃的灵魂的呐喊。你不要我，我替你死，你热死！
量子计算机的原理是什么？
0和1在量子计算机中的表示是什么？例如自旋为1/2的粒子，选择两个相互正交的本征态，分别用|0>（狄拉克标号的右围向量表示）和|1>表示，对其进行射影量子测量系统，得到的结果必须是这两个本征态之一，以一定的概率比发生。
两个本征态|0>和|1>和无限多个线性叠加态|Ψ>=α|0>+β|1>，集合就是一个量子比特。
相对于传统计算机的0和1，量子比特的0和1有什么特点？
在传统计算机中，一个位就是一个与非门，不是0就是1，但在量子计算机中，一个量子位除了代表0和1，还有一个“0和1的叠加态”。简单的说，如果只有2位，那么传统的计算机处理方式只能处理00/01/10/11这四个二进制数中的一个。
但量子计算机并非如此。它可以并行处理所有四个数字，获得四倍于传统计算机的计算速度。当然，传统计算机也可以采用“多核”的方式来达到这样的效果，但量子计算机只需要增加一位就可以达到传统计算机2倍的优势，比增加“处理核”成本更低，但速度增加得更快（计算速度呈指数增长）。
量子计算机这么NB，怎么还没普及？
问题的症结终于来了。量子计算机极速的计算过程依赖于叠加态，最终的结果仍然是叠加态。要知道结果，必须对其进行测量。
例如a|0>+b|1>，量子态会突然处于|0>或|1>，这是一个概率过程，在量子力学中变成坍缩，叠加态只能是测量一次，因此，要想知道结果，就必须进行多次测量，反复计算，浪费了量子计算机的计算能力！
1994年，数学家PeterShor设计了一种基于量子比特的质因数分解算法。这是第一个可以超越传统计算机的量子算法。基于质因数分解的RSA密码将非常容易被破解。例如，使用超级计算机分解一个400位数字大约需要60万年。但是如果用量子计算机来计算的话，只需要几个小时甚至几十分钟就可以完成计算。
PeterShor的算法并不是唯一的量子算法。除了Shor算法外，还有Grover/Long算法（数据库搜索）和量子退火算法。
但是必须要面对的一个问题仍然是量子比特纠错。用量子比特计算是基于概率的，是有误差的，所以这就需要牺牲更多的量子比特来进行纠错。这就是量子纠错码，比如GOOGLE量子霸权的72量子位量子计算机，在物理层面其实只有72个量子位。它不能同时执行逻辑操作。整个逻辑位要除以8，即9个量子位。逻辑运算以8为一组进行，准确率只有80%左右！
72位量子芯片的结构图，Bristlecone只有72个结
量子计算机的技术实现类型
根据量子位的特性，一般有几种量子电路，单向量子计算机和绝热量子计算类型，以及已经在开发中的量子计算机技术类型包括量子退火、量子点、超导电路、俘获离子、金刚石空位和拓扑量子位。这些结构就不一一介绍了。优缺点如下：
量子计算机的技术实现类型和主要研究公司
量子计算机的几种类型
中国的“九丈”量子计算机和谷歌的梧桐树“梧桐”有多大的区别？
谷歌在“法国梧桐”之前推出了72位的“Bristlecone”量子芯片。当然，如前所述，一组8个量子位中，真正参与逻辑位运算的只有9个量子位，但《法国梧桐》不同，梧桐一共有142个量子位，但88个量子位用作耦合器，53个（一个不好）量子位用作逻辑运算！
Sycamore用了88个量子位只做耦合器，用了54个rogibits做运算
这显然超过了实现量子计算的好处所需的50个量子位，在某些计算上已经可以超越传统计算机了！但“法国梧桐”采用超导系统，全程必须在-273.12℃（30mK）的超低温下运行，随机线采样的计算样本数量存在漏洞。
我国量子计算机“九章”采用光量子计算。与超导系统相比，它更容易在室温下运行。其原理如下：
光量子计算是通过光逻辑门进行操作的。它是通过光学偏振器实现的，而超导方案是通过射频信号实现的。其次，光量子计算主要是利用光子的偏振自由度和角动量作为量子比特的变化测量对象，而超导量子计算则是基于约瑟夫福里斯特结，可以是通量也可以是电荷作为量子比特。
与原子、离子、超导电路等量子计算机相比，光量子计算的计算规模是巨大的。它最大的优点是可以在室温和空气中工作，并且可以克服量子噪声的限制。结构也比较类似。简单，但它的缺点是增加量子比特比超导量子计算机更难。
“九丈”量子计算机样机光路系统示意图
但是“九丈”量子计算机已经实现了76位的量子逻辑运算，其计算能力到底有多强呢？
计算常温下的Bose采样问题，《九章》处理5000万个样本只需要200秒，而一台超级计算机则需要6亿年；处理100亿个样本，《九章》只需要10个小时，超级计算机需要1200亿年，而宇宙只有137亿岁左右。
谷歌使用超导系统的“法国梧桐”，充分揭示了上述样本数量的漏洞。当处理100亿个样本时，“平面树”需要20天，这还没有经典计算机快（只有2天），请注意这个例子不是Bose采样。
随着量子计算机的位数增加N，它的速度就会增加2^N，所以速度呈指数增长，我们也不必太高兴。在最初的量子霸权争夺战中，技术路线和操控量子比特的差异可能相差不大，但计算速度会非常恐怖，因为这种指数级的提升，在速度上实在是太惊人了！
《九章》在实验中获得了最强大的经典计算机在万亿年内所能给出的计算结果，震惊了全世界的科学家。它改变了当今世界量子计算机的格局！
陆朝阳介绍了“九章”的最新进展
这就是为什么一些科学家用多元宇宙理论来解释量子计算机的强大能力，比如250量子位内存可以存储的数据量（由250个原子组成）高达2^250，比已知宇宙中所有原子的数量还要多，是不是很奇怪？（“九丈”输出量子态空间尺度已经达到10^30（“悬铃木”输出量子态空间尺度为10^16，目前世界上的存储容量为10^22））
但是目前的量子计算机技术路线还是专用计算。例如，目前唯一商用的D-Wave量子计算机也是采用量子退火技术的非通用计算机。据业界估计，2030年之前，仍将只是非通用的量子计算机路线。
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