量子计算的使用和应用

在本单元中，你将探索量子计算的一些最有前途的应用程序。

量子计算机可以解决哪些问题？

量子计算机不是超级计算机，可以更快地完成所有作，也可以解决每个可能的问题。 量子计算机扩展了我们可以有效解决的问题集，但即使量子计算机无法解决，仍然存在过于复杂的问题。

下图展示了根据复杂性分类的不同计算问题集。 量子计算机比经典计算机可以更有效地解决的问题类称为有限误差量子多项式（BQP）问题。 BQP 问题可以在多项式时间内由量子计算机解决。 BQP 问题的示例包括分解问题和搜索问题。

正在积极研究量子计算机能比经典计算机更快解决的问题种类，以及速度能快多少。 量子计算机在需要计算大量可能组合的问题上表现得极为出色。

量子模拟

量子力学就像我们宇宙的基础作系统，并描述了自然的基本构建基块的行为方式。 化学反应、细胞过程和材料行为本质上都是量子机械的，通常涉及大量量子粒子之间的相互作用。 量子计算机承诺模拟内部量子机械系统（如分子），因为量子比特可用于表示这些系统中的自然量子态。 我们可以建模的量子系统的示例包括光合作用、超导和复杂的分子形成。

资源估算

Azure Quantum 资源估算器通过提供一种方法来估算在缩放量子计算机上运行量子程序所需的资源，从而帮助你为量子计算的未来做好准备。 资源估算可帮助你回答以下问题：我需要哪些硬件资源？ 我需要多少个物理和逻辑量子比特，以及哪种类型的量子比特？ 我的程序需要多长时间才能运行？ 所需的资源在不同量子比特技术之间有何比较？

利用资源估算，可以优化量子算法，并生成在量子计算机可用时利用缩放量子计算机的解决方案。

量子加速

许多量子算法已经开发，可以比经典算法更快地解决某些问题。 两个众所周知的示例是 Grover 的算法和 Shor 算法。 与经典对应算法相比，Grover 算法可实现多项式加速，Shor 算法则能实现指数级加速。

运行 Shor 算法的量子计算机可能会破坏经典加密方案，例如 Rivest-Shamir-Adleman（RSA）方案，该方案在电子商务中广泛使用，用于安全数据传输。 此方案依据的是，经典计算机在将大整数分解为大素数乘积时存在计算难度。

Grover 的算法加快了非结构化数据搜索的解决方案，以比经典算法更少的步骤运行搜索。 事实上，任何允许你检查给定值是否是有效解决方案的问题（是或否问题）都可以被表述为搜索问题。