量子電腦認知 2 量子電腦的學習與應用

我們在今天要來看第二支關於量子電腦的認知的第二支影片 這支影片我首先來跟同學分享說 如果很想要學量子電腦,我應該是怎麼去介入 我跟你說,我們應該去分成某幾個學科 在學科中你就可以學習到 例如我們在數學科,其實數學科裡面的函數 在高一、高二都有嘛 像量,因為我們這個像量是用來描述量子位元的狀態 還有矩陣,矩陣就是說 剛剛的這個量子做運算的時候 它位元做運算的時候是怎麼樣去做計算的 所以可以用矩陣 那再來你也可以當然適當的引入三角函數,引入負數 這都是我們在高中數學科當中常會見的單元 它對於量子電腦的學習也是有相關重大的一個要點 再來物理科呢,我們講到電磁波或者是量子現象的概念 其實物理科有更直接的單元去做一個學習 那麼再來講到資訊科,資訊就是電腦科的時候 我們其實在電腦科的學習上面就會講到 有關於布林代數、卡諾圖、真值表 這幾個就是我們在當中的時候可以去做一個學習的內容 所以這個就是我們在高中的時候 面對數學物理資訊跟量子電腦有相關的一個單元 那麼這個時候你學習完之後 有一些例如我們現在量子電腦有一些課程 那我們就可以把它融入一起做學習 好比說在多元選修,自主學習我們可以自動去學習 像你可以看我們的影片去做一些相關的學習 或者是參加某一些社團跟比賽 那麼這樣的好處是我們可以把內容做成立成的學習檔案 那這樣子就很好囉,為什麼很好? 因為這樣子我們就可以得到這樣的一個成果報告了 這真的非常非常厲害喔 好,再來對未來有沒有發展?當然有發展啦 對未來當然有發展 因為我們可以把這個立成檔案作為大學升學的一個依據 或者是你對量子電腦的認知 對未來的就業市場非常非常有幫助 那當然對於老師,老師當然我們就可以開一些多元選修 像我現在錄的這個課程影片 那同學可以多方去做一個涉略喔 那針對國小、國中、高中的這個認知跟內容 其實都有一些書籍 如果同學覺得太難,那你可以從國小的書來去看 從漫畫開始,從故事開始喔 那國中呢,有一些這個它的一個解說 它的一個解說的書籍 到了高中有實作的部分喔 那個專門有專門的用書 這個都是很推薦同學來去做一個學習的 那麼現在呢,我們就要開始進入一個比較難的地方 就來開始說啊 這個量子疊加跟量子糾纏 它的一個原理跟它的一個計算的一個方式喔 哇,那這個就真的非常困難了 好,首先我們先來看看 我們在前一支影片有講到的這個0跟1的狀態 因為我們的0的狀態是不是寫1-0 再一個大於,這個大於會比較大一點點 這個表示0的狀態 還有一個1的狀態,1-1跟大於 這個1的狀態 那麼我們在前一支影片也有說啊 我們的這個狀態啊 它的這個一定可以寫成α的0加β的1 所以這個α平方加β平方就是一個那個和為1嘛 可見的α平方跟β平方 就是分別代表0的機率跟1的機率 好,那這個你一定要知道 這個是非常一個對於量子的一個疊加態 一個非常基本的一個表示方式喔 那我們除了用剛剛的αβ來寫 其實也可以用波的形態來寫 例如我可以這樣寫 我們可以在學習這個三角函式的式子當中 可以知道說這個a乘上cosine 這個θ加isinθ的這個樣態 可以寫成一個負數的一個形態的表示 對不對 所以我可以用這個負數來表示 這樣的一個波的形態 那這個波的形態呢 有分正弧,這個就是正弧 那有分它的向位數 這個θ就是它的向位數 所以我們也可以用波的形態來去做表現 你說老師那我可以統整在一起 可以啊你看喔 一個量子位元的疊加態喔 如果我寫成α0加β1 這個是我之前跟剛剛一直在說的嘛 對不對 那這個是部落格球 那如果我寫波的形態 剛剛不是說用這個a 那個政府乘上cosineθ加isinθ 那θ就是向位 有沒有剛剛這個向位角 有沒有向位角 所以你看喔 我們剛剛可以寫成這樣 波的形態 那你說這個是一個的時候啊 那如果兩個的時候怎麼辦 三個的時候怎麼辦 好我來舉三個的時候怎麼辦 你看喔 三個的時候我們可以用 α的000加β的001 加γ的010 因為這個000到001 一直到111 總共有八個嘛 所以你可以寫αβγ等等等等 那波的形態呢 也可以這樣子做表示 哇這個牌真的是蠻好玩的 寫起來真的蠻好玩的 那我們在前一支影片有講到說 那個傳統電腦 我們可以用這個電路啊 跟邏輯閘來去做計算啊 那量子電腦可以用 量子電路跟量子閘來去做計算啊 那所謂的傳統電腦的邏輯閘 你看喔 這個我們來複習一下 這個我們在資訊科的時候 有講到這件事對不對 那首先我們來看看 有一個叫做反閘 就是not閘 也就是說這個閘喔 進去是0 出來是1 或者進去如果是1 出來是0 那這個時候就叫not閘 這個很好很有趣對不對 很簡單0變1 1變0叫not閘 那and閘是什麼呢 and閘就是進去是00 出來是0 進去是01 出來是0 進去是10 出來是0 只有進去是11的時候呢 這個它的符號是11的時候呢 這個時候呢 出來才會是1 那這也很簡單 這個是and閘 那or閘 or閘就簡單 or有點像是連擊 你看喔 00的時候就是0 01的時候 因為01嘛就是1 10也是1 11也是1 這個是or閘 很簡單吧 只要有一個是1 它就是1了啦 這樣子 我們可以這樣想像 那再來so閘 so閘 那你看喔 00的時候是0 這OK 01的時候 反過來是1 10的時候 點1 所以01跟10都是1喔 那11的時候 反而變成0 也就是說 它反而11的時候變0喔 所以這個我們知道so閘 當然啦 我們還有很多很多的 不只有我列出來的這幾個 這個邏輯閘的狀態而已嘛 那我們先來看看 那量子閘會不會有這樣的狀態 有喔 量子閘你看看喔 我們量子閘 講到s閘 s閘也是0變1 1變0 那你有沒有覺得 就跟我們剛剛 這個傳統電腦的邏輯閘 的not閘是一樣的 這真的很像 再來看y閘 y閘它是0變i1 這個i就是根號-1的意思 它是負數喔 那這個1就變-i0 這個是y閘 至於z閘呢 在下面 它是0變0 1呢 它的狀態進去的時候 變-1 這個是z閘 喔 我們這幾個閘 大概要記一下 那h閘 那就是0進去的時候 出來就變 0加1除以根號2 1進去的時候 出來就是0跟負1 出來就是除以根號2 這個是h閘 那大概這一二三四 是我們高中生最常見的 一個量子閘的一個運算 基本的運算態 大致上是這個樣子 大致上是這樣子 OK 好 那當然啦 如果用圖形來畫 也可以這樣說 0110 這樣 OK 也可以這樣子畫 不過用圖形來畫 這個還蠻 雖然好看 但是其實你不是很好理解這件事 對吧 你不是很好理解這件事 那沒有關係 我們來用這個文字來說明好了 我們來文字說明 所以你看這支影片呢 其實重點就是 開始教你怎麼樣去做 量子閘的一個運算 量子的這個疊加量子的糾纏 他們是如何去做運算的 這個初步 他的閘是怎麼樣去做 他的規範的呢 那我們先來用文字試試看 你看哦 雙量子的C0閘 我們也叫做受控板閘啦 雙量子是兩個量子位元 兩個量子位元 那這個C0閘呢 哦 那他是這個樣子的 他就是說有兩個輸入跟兩個輸出嘛 在兩個輸入的時候呢 有一邊稱為控制的位元 另外一邊稱為目標的位元 Target位元 這個是Control位元 好 那當控制輸入0的時候呢 不會做任何操作 控制輸入1的時候呢 會實施S閘的反轉操作 這個什麼意思啊 這個文字看起來好像有點困難 沒有關係 你不用害怕 來我等一下畫一個圖形 來給你看看 你看哦 這個就是受控板閘 就是說我用這個 雙量子的受控板閘來去跟你解釋 他是這樣子去做運算的 你看哦 剛剛這句話 輸入0不做任何操作 輸入1會變S閘 什麼是S閘 0變1 1變0嘛 所以你看 這個呢 0 0 就還是0 0 這OK 0 輸入0不做 有沒有 0 1 還是0 1 對不對 這個還是這樣嘛 那他有跟我們說 當控制位元輸入1哦 所以你看 這個1 當控制1 0的時候呢 當控制位元輸入1的時候 實施S閘 哦 那我知道 這個1的時候呢 那這個實施S閘 這個目標位元實施S閘 哦 也就是0變1 那這個1變0 好 你再一次哦 這個 剛剛的文字 我們說 雙量子位元的受控板閘 他是怎麼樣去實現他的操作的呢 好 他分為 因為輸入有兩個嘛 輸出有兩個嘛 那輸入的兩個 一個叫做control 一個控制位元 一個叫target 一個叫目標位元 所以你看 輸入的時候 0 0 0 1 1 0 1 1嘛 對不對 那他的要求是 當0的時候 控制位元是0的時候 就不做任何動作 所以0的時候 0的時候 那這個0還是0 1還是1 那當控制位元是1的時候呢 那目標位元就S閘 就0 變1 好 1 變0 好 我們利用這樣的一個例子 來跟你說 雙量子位元的一些 這個邏輯閘的運算跟控制 當然啦 我只有舉幾個例子 當然不然他的閘太多了嘛 同學可能會昏倒說 哇天啊 這個 這是什麼東西啊 真的很難看 那你看 我們剛剛講的這個機率問題 那這裡我就不再說明瞭 好 那這個機率問題也經過 我們的這個 剛剛說觀測 得到的結果是這個樣子 那這裡有個例子啊 這裡有個例子 好比說 圖中 這個0 1 2 3 就代表0、1、2、3的 四種狀態的疊加態 那我現在只要兩個量子位元 就可以用二進位來表示 好比說 這兩個二進位元呢 是針對他做一次函數計算 那你看 就會得到好比說 這個函數是這樣 我這裡是舉一個很簡單的例子 事實上沒有那麼簡單 我們就是舉這個 國中、高中 一個很簡單的例子 好比說 這個運算叫做 s平方加6s 加9 s平方減6s加9 所以我把0代進去 最後就變成這個樣子 把1代進去 最後變成這個樣子 分別就是能得到 9、4、1、0 就這個狀態 好 那就會出來呢 對應四個函數 輸出的一個這個值 這樣子 這樣OK嗎 好 那這個是一個很簡單的 一個計算方式 那這個計算方式呢 剛剛在說明說 本來 你看喔 這個本來他的狀態 經過了一個運算 那就會出來 最後的觀測的狀態 這樣子 OK 好 那我們呢 在量子演算法 有講到 很多很多的量子演算法 這個我們一定 一定一定 應該這樣講 就一定說 這個量子演算法 它太多了 但是我們常見的 就是第一個 叫Global演算法 Global演算法 OK 然後呢 第二個我們叫 Shore演算法 那我們先來看看 Global演算法 Global演算法是什麼呢 它呢 是針對於 我們在做 搜尋的時候 的一個問題的方式 例如呢 我對於多個程式 你看喔 我要怎麼樣去 從這個程式開始起點 到最後結束 那有什麼樣的演算法 可以快速的得到 我們的這個 等於說它的路徑最短 就對了 這樣路 應該講路徑最短 所以我們就說 來去計算的話 有一個Global演算法 它最後得到一個結論 就是說N種路徑 那用Global演算法 它只需要根號N次的運算 就可以得到 我的最佳路徑 那Global演算法呢 我們可以用這樣的操作 好比說000 這個三個量子位元 來去做操作 那000呢 它的這個機率符 那如果操作 我們不是說N種演算法 只要用根號N 總N次 就可以得到對不對 那本來舉個例子嘛 000到11這樣的一個狀態 那麼我們在運算的時候 突然發現到 這個011喔 這個011 它呢最有可能 它最有可能 所以我們就會把它的這個 反轉 那反轉之後再給它增幅 再給它增幅 然後最後在計算的時候 就突出 就得到它是最佳解 這樣子 所以這個是一個操作的過程 不過你大概知道就好了 那還有一種叫做 Share演算法 Share演算法呢 目前呢 用Python程式 其實是可以模擬的 那Python程式去模擬之後呢 這個是一個Python程式 一個整個模擬的這個樣態 所以你中間的過程 當然如果你可以瞭解 當然最好 如果不能瞭解 大致上我跟你講這樣 Share演算法呢 它的特性 就是在做質因素分解的問題 例如我給一個合成數 會找到一個1跟P之間呢 不包含1跟1 1跟P之間 而且去 n整除於P這樣 那我們就開始去找 找出它的因式分解 這樣 那第一步呢 我們就用這個演算法 然後把它代進去 就可以得到 Share演算法呢 你可以去稍微操作一下 我們等一下在後面有一些操作 最後老師在 最後三分鐘的時間 要來跟同學介紹 量子電腦 到底在行業別的應用有哪些 例如我們在做開發新藥 因為量子電腦 在用這樣的專案的時候 可以合成很快 快速的合成 我們這樣的新藥的一個化合物 那這樣子的話 就可以去做臨牀實驗了 就不用經過非常久的時間 例如我們在製作這個鋰電池 這個鋰電池 好比說我們拿來當成 汽車行駛的這個電池 那我們可以快速的合成 它最後的一個成品 所以通常量子電腦 都是在做某一些專案的時候 會得到特別的這個快速的答案 例如我們在做天氣預測的時候 它就可以很及時的提供給我們 最後的結果 那例如我們在做挑選股票的時候 股票的時候 例如這個股票的時候 可能就是它可以模擬現在的狀態 可以把一些趨勢的線 整個就是畫出來 哇 這個很強 如果是用一般的電腦 等到它畫出來之後 可能人家又換 又可能又下一波了對不對 還有在做自然語言的時候 我們就可以很清楚的知道說 那這樣子使用者要問的內容是什麼 例如在做運輸的問題 它可以一次同時去計算 所有車子它需要經過的點 以及最佳的運輸點為何 還有就是有關於交通的這個Google Map 我們現在Google Map 是用這個去測某一個路段 它有多少個載具回傳 來去測量說 它現在到底這個路段算不算塞車 不過這個方法也許不是最好的方法 也不是最快的方法 還是會有一些延遲 如果用量子電腦呢 我們可以很及時的 可以測得到我們這個交通的擁塞 然後規劃出一條 比較好行駛的一個道路這樣子 而且它可以同時因應每一個使用者 再來就是有關於敏感數據 尤其是敏感數據 量子電腦呢 它可以去產出量子的 它可以產出一個量子的一個密碼 讓人家非常難去做一個破解 所以我們可以學習到的一個方式 真的還不少 那其實也有這張量子電腦的一個動畫的開發 那同學可以再去查一下 有這樣的動畫影片 可以去做一個學習 好的 那我們今天呢 這一支影片就到這裡 期待下一次跟同學再相見囉