高速量子計算機的理論基礎:Parrondo悖論

Parrondo悖論是由物理學者Juan M.R. Parrondo發現的,並以他的名字命名的。

現在物理學家發現這個悖論同樣存在於量子物理領域中的亞原子粒子。這將為未來高速量子計算機提供更快的算法模型。Juan M.R. Parrondo在1997年首次對此悖論進行了解釋說明,隨機性如何能驅動非對稱鋸齒狀、只能單向轉動的棘輪。該悖論同樣適用於生物甚至是經濟領域。

高速量子計算機的理論基礎:Parrondo悖論

經典的Parrondo悖論可以用拋硬幣遊戲來具體說明。

由兩個相關聯的拋非均勻硬幣的遊戲A和B構成。Juan M.R. Parrondo的發現為:單獨玩A或B,結果總是輸的,但如果按一定的順序玩A和B,反而會贏。A遊戲中,玩家拋一枚非均質硬幣猜正面,猜對贏1元,猜錯輸1元,猜對的正確率不會超過50%,一直玩下去必輸無疑。B遊戲中,金額的數量是3的倍數,那麼玩家猜對一枚非均質硬幣正面的正確率不會超過10%,10次中有9次輸,除此之外的情況拋一枚硬幣,猜對的正確率低於75%,也就是說4次中猜對3次。以上A、B兩種遊戲,如果一直只是單獨玩其中一種,最後的結果都是輸錢。但是如果將A、B遊戲組合起來隨機排列玩,只要玩的時間足夠長,玩家最後竟然會贏錢。這個悖論解釋了很多經典物理世界的現象,但是在量子物理世界同樣如此嗎?

在生物學領域,量子棘輪效應用描述離子、電離子、原子如何透過細胞膜。研究人員就是使用Parrondo悖論來解釋這種現象。為了在上述的遊戲中驗證該悖論,建立隨機順序,研究人員使用到了隨機遊走模型來模擬粒子的隨機行進路徑或是光子從太陽射出後形成的軌跡。

隨機遊走類似於用拋硬幣來決定左轉還是右轉。隨著時間的延長,你會發現自己一定會偏向起始點的左邊或右邊中的一邊,這就是Parrondo悖論解釋中的A或B單個遊戲。而量子隨機遊走就是拋一枚量子硬幣來決定之後的路徑,而量子硬幣既有正面和背面,也有兩面同時存在的可能,這將不能對Parrondo悖論進行自圓其說。因此這時需要拋2枚量子硬幣,只有2枚硬幣同時都是正面或背面,才能決定下一步的走向。

在最近的研究發現中,研究人員發現即使只有1枚量子硬幣也能解釋Parrondo悖論,當然前提是隻允許這枚硬幣落在它的正面或背面,當硬幣落在其中一面時,就需要進行另一次拋幣。

將以上的2枚量子硬幣和1枚量子硬幣遊戲結合起來生成的隨機遊走模型就能完美解釋Parrondo悖論。

未來量子計算機的搜索算法的原理和Parrondo悖論類似,而傳統的經典計算機卻無法處理這樣的計算

通過使用量子隨機遊走模型,用戶可以比經典隨機遊走模型走得更遠。可以說,量子隨機遊走離散的更快,更容易形成未來的搜索算法。量子計算機如果使用量子隨機遊走算法,計算的速度會更快,所需時間更短。


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