随着计算机的效率不断提高，众所周知，图灵机在所有计算中的普遍使用正在为更新、更小、更先进的量子计算机铺平道路。即使它们可以执行相同的过程，但这些计算系统非常不同。

图灵机遵循实际计算的基本原理。量子计算机使用指数和无限计算方法，而图灵机使用有限规则和状态来计算数据。 

本文将介绍图灵机和量子计算机之间最显著的区别，尽可能用最简单的术语来描述这些计算模型的复杂性。还将讨论图灵的完备性以及它如何应用于量子计算机。

量子计算机VS图灵机

尽管在这个问题上存在争议，但没有一台计算机通过了图灵测试，尽管计算和人工智能取得了重大进展。量子计算一旦完全实现，将成为通过图灵测试的主要领先者。

虽然大多数计算机科学家、工程师和哲学家对量子计算机是否是图灵机持不同意见，但所有计算机执行相同过程的方式都略有不同。 

这两个系统都使用经典逻辑计算编码信息，找到转换为1和0的语句之间的关系。然而，这就是它们的相似之处。

表1：比较图灵机和量子计算机之间的基本区别。

图灵机的工作原理

根据Church-Turing Thesis，一条至今仍然有效的计算规则，“每一个有效的计算都可以由图灵机执行。” 量子计算机中执行的操作可以由图灵机完成。 

然而，对于无穷或不可解的问题，用图灵机是找不到解的，这充分说明了计算机的局限性。

比特

图灵机是艾伦·图灵在1936年发明的，比量子计算机更早。它们是所有计算设备中最简单的形式。

图灵机使用比特或“二进制数字”来创建更复杂的数学方程的数值表示。它们是可编程的，这意味着它们使用由1和0组成的有限数据集来解决问题。

计算方法

在一个简单的图灵机模型中，一个带有内部指令集的扫描器将信息输入到一个长而薄的纸带上，纸带上写着小单元格的二进制代码。

然后，计算机使用内部状态表或状态转换图运行操作，从一个数字移动到下一个数字。根据状态转换图，机器将改变每个单元格中的值，保持原样，返回到磁带的开头，或移动到末尾。

当机器执行这些操作时，电流会通过晶体管或逻辑门，从而在每个状态之间创建“与”、“或”、“异或”、“与非”、“异或”和“非”关系。  

计算机可以执行的任何算法或程序，无论是计算器、PC、笔记本电脑、智能手机还是 MP3 播放器，通常都是使用图灵机的原理运行的。

量子计算机的工作原理

量子计算机是图灵机的一种形式。

量子计算机是图灵机的一种进化形式。虽然这些计算设备所做的事情与图灵机相同，但它们使用不同的单位和系统来识别、改变和定义状态之间的关系。

虽然今天的量子计算机机器从定义上来说很大，但量子计算机的内部工作原理却很小，其计算功能在亚原子水平上。

量子比特

为了最大化量子计算机中的空间，计算机可以3D读取每个“状态”或量子比特。这种3D扫描将改变或记录量子比特的状态和逻辑门的定义。 

量子计算机使用量子位来创建1和0的长序列，而不是使用比特。这些系统可以同时表示1和0。 

它们也可能纠缠在一起，使计算机能够同时解释两种结果的概率，并在两种状态之间创建逻辑门。这种能力是量子计算最显著的好处。 

计算方法

当量子计算机计算时，量子比特本身在一个不需要电晶体管工作的封闭系统中移动。量子比特在这个安全系统中通过超导体和小滤波器垂直或水平通过。

根据每个量子比特的旋转角度，计算机将把它解释为1或0，从而完成算法的每一步。 

该系统的通用性和规模，最终形式将不需要电流来使用逻辑门定义关系，使其比图灵机先进得多。

量子计算机中的逻辑门也是可逆的，最大限度地减少了量子计算机执行复杂计算所需的空间量。 

由于量子计算机以光速运行，并且不依赖电流和晶体管进行逻辑运算，它们可以比图灵机更快地完成功能。

虽然图灵机可以执行这些操作，但量子计算机的特定特性使量子计算更快、更高效、更紧凑。 

量子计算机是图灵完备的吗？ 

能够模拟图灵机的量子计算机是图灵完备的。然而，量子计算机还不够稳定，无法在大多数环境中可靠地完成图灵机运算。 

Ethan Bernstein 和 Umesh Vazirani 的量子复杂性理论等研究已经证明，量子计算机可以以更高的速度和更少的电力消耗来模拟图灵机。 

因此，量子计算机在正常运行时是图灵完备的。此外，图灵机能够运行您可以在量子计算机上运行的任何程序。 

然而，量子计算机还不可靠。由于量子计算机是根据微观运动来记录和改变数据的，所以在使用量子计算机时，错误是常见的，只有在孤立的环境中才能得到可靠的结果。

量子计算机的优缺点

那么，如果量子计算机和图灵机执行相同的运算，那么量子计算的好处是什么？ 

优点

量子计算机在完全实现后将具有许多优势，使其远远优于运行在图灵机进程上的传统计算机： 

• 与图灵机相比，量子计算机更节能、体积更小、速度更快且用途更广。 
• 由于图灵机中的每个量子比特都可以在1和0之间波动，而且系统中的每个逻辑门都是可逆的，因此量子计算机可以同时计算无穷多的概率，并在记录时间内找到任何给定方程的最佳解。
• 量子计算机运行不需要太多电力。量子计算机可以快速加密数据。 

缺点

尽管这些计算机有很多好处，但它们还没有发展到缺点比优点少的程度： 

• 量子计算机不如图灵机稳定。由于它们在亚原子水平上发挥作用，压力、温度或电导率的任何亚原子变化都可能导致它们出现故障或损坏系统。 
• 隔离和冷却量子计算机需要大量电力。目前所需的大部分电力都用于运行使量子处理器保持凉爽的制冷，但这种情况也在发生变化。
• 它们太不稳定，无法在个人环境中使用。 
• 它们的生产成本很高。 
• 它们解密数据的速度要快得多，如果落入坏人之手，人们可以轻易地侵入几乎所有不在量子计算上运行的东西。

关键要点

量子计算机可以执行图灵机可以执行的任何经典逻辑操作，但它们以一种独特的亚原子方式做到这一点。

因此，量子计算机可能被认为是图灵机，但它们独特的结构使它们比传统计算机更高效。 

能够模拟图灵机的量子计算机是图灵完备的。然而，量子计算机还不够稳定，无法在大多数环境中可靠地完成图灵机运算。

量子计算机仍处于起步阶段，在它们的持续创造中还有很多需要实现的地方。

原文链接：https://techevaluate.com/are-quantum-computers-considered-turing-machines/

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