理工论文浅议量子计算机的概念原理与展望

　　量子计算机在科技上的应用十分广泛，对于科学技术的发展有着很大的促进作用。这是一篇理工论文：浅议量子计算机的概念原理与展望。

 

　　1引言

 

　　在人类己经跨入21世纪之际，信息技术面临着新的挑战.当人们意识到如果在技术上遵循“摩尔定律”，那么硅片上的集成电路最终将会缩小到一点，那些独立的元件不会比几个原子更大，这就导致了新问题的出现.因为在原子级别支配着电路的行为和性质的物理规律是量子力学，而不是经典物理定律，这引起人们思考是否能设计一台新的建立在量子物理规律基础上的计算机.量子计算机能否实现不可破译、不可窃听的保密通信己成为数学家、物理学家和计算机科学家关注的重要课题.

 

　　2什么是量子计算机

 

　　量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器.经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现.

 

　　在量子计算机中，基本信息单元叫做一个量子位或者昆比特(qubit)，不同于传统计算机，这种计算机并不是二进制位，而是按照性质4个一组组成的单元.量子计算机是以量子态作为信息的载体，运算对象是昆比特序列.昆比特是两个正交量子态的任意叠加态，从而实现了信息的量子化.

 

　　与现有计算机类似，量子计算机同样主要由存储元件和逻辑门构成，但是它们又同现在计算机上使用的这两类元件大不一样.现有计算机上，数据用二进制位存储，每位只能存储一个数据，非。即1.而在量子计算机中采用量子位存储，由于量子叠加效应，一个量子位可以是U或1，也可以既存储U又存储1.这就是说量子位存储的内容可以是U和1的叠加.由于一个二进制位只能存储一个数据，所以几个二进制位就只能存储几个数据.而一个量子位可以存储2个数据，所以n个量子位就可以存储2个数据.这样，便大大提高了存储能力.

 

　　传统计算机中基本的逻辑门是“与”门和“非”门，对量子计算机来说，所有操作必须是可逆的，就是说由输出可以反推出输入.因此现有的逻辑门多不能用，而需要使用能实现可逆操作的逻辑门，这是“控制非”门，又叫“量子异或”门.有了存储信息的量子位，又有了用以进行运算的量子逻辑门，便可以建造量子计算机了.

 

　　量子计算机突出的优点有两个，一是能够实现量子并行计算，可加快解题速度;二是n个量子位可存储2的n次方个数据，大大提高了存储能力.至于它的弱点，一是受环境影响大，二是纠错不大容易.

 

　　3量子计算机的基本原理

 

　　量子计算机操纵着的是量子位或者说昆比特.昆比特遵循了量子力学的规律，而量子力学从本质上说完全不同于传统物理学.昆比特不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在.

 

　　3. 1态叠加原理

 

　　叠加原理是量子力学的一个基本原理，是量子计算机的核心原理.态是指一个体系的每一种可能的运动方式.与宏观体系的运动状态的确定性相对立，微观体系的运动状态是非决定性的，是统计性的，微观体系的态被称之为量子态.人们很难想象一个人、一栋楼等能处于一种多状态叠加的情况.

 

　　举个例子来说，比如一辆汽车正在行驶，前而有个大石头，汽车要么从左边绕过去，要么从右边绕过去，这是常识.如果这时候有很多摄像机把这个过程拍下来，事后放映的时候，发现有的摄像机显示的是从左边绕过去的，有的摄像机显示是从右边绕过去的，这就是叠加原理.态叠加原理表明，一个量子系统的量子态可以是几种不同量子态中的任意一种，则它们的归一化线性组合也可以是其量子态，称这线性组合为“叠加态”.

 

　　3.2量子并行

 

　　传统的计算机运算时，一个一位(只能存储一位数字)的存储器能储存数字。和1.同样一个两位(就是同时只能存储两位数字)的存储器可以存储二进制数00,01,10和11.但这些存储器的共同特点和局限是在一个特定的时刻只能储存一个数字(如二进制数10).相比而言，一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存。和1.两个昆比特位能同时储存所有的4个二进制数.3个昆比特位能储存8个二进制数000,001,010,011,100,101,110和111. 300个昆比特位能同时储存多于230。个数字.这甚至多于我们这个可见宇宙中的原子数 这表明了量子计算机只用300个光子(或者300个离子等等)就能储存比这个宇宙中的原子数还多的数字，而且对这些数字的计算可以同时进行.量子计算机可以对每一个叠加分量进行变换，这些变换可以同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称做量子并行计算.

 

　　3. 3量子纠缠

 

　　量子计算中使用的另一个量子物理学特征:当两个或多个粒子互相影响时，不可能独立描述任何一个量子的状态，即使当它们随后即被分开很远的距离，它们的行为表现得好像它们仍然是一个整体.因此我们称这些粒子是纠缠的.量子纠缠这个性质允许了用于实现量子运算法则的量子数的大量减少，这是人类制造使用量子计算机中的一个大难题.

 

　　人们己提出了用光子、电子、原子、离子、核自旋等物理系统作为量子比特的方案.特别是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上.量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算.量子计算本质的特征为量子叠加性和相干性.量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使其可以完成经典计算机无法完成的工作.量子纠缠及相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用.

 

　　3. 4相干性与退相干

 

　　量子相干性反映着态之间的关联性.其中一种说法就是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言.他们做了这样假想实验:在高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行，在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态，而进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态.这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，称为“量子相干性”.这种相干性只有用量子理论才能解释.

 

　　退相干使得量子计算机与传统计算机不同，量子计算机的运算时间是有限制的.量子比特之间的相干性很难保持长时间，经过一定的时间后，一旦遇到外界实体的观测，就会失去相干性.在计算机中，量子比特不是一个孤立系统，“已会与外部环境发生作用而使量子相干性衰减，即“退相干”.量子比特从相干状态到失去相干性这段时间叫做“退相干时间”.如果退相干时间不能足够长，就无法完成计算.所以，延长退相干时间，是以后必须解决的重大课题.量子叠加性会因为观测而崩溃.退相干是周围的环境噪声造成干扰使量子比特“变劣”，那么观测也会对相干性造成影响.为了避免退相干，就要将电路元件与周围环境隔离.但是，到目前为比仍有许多退相干的原因没有被查明.

 

　　4量子计算机的发展

 

　　1936年Feynman提出量子计算的概念.在1982年制造了一个抽象的模型，示范了量子系统做运算过程.1985年牛津大学Deutsch建立量子图灵机模型，他认为任何物理过程，在一般原则下，都能被量子计算机模拟.直到Shor在1994年提出了一个使用量子计算机解决一个重要的数字理论问题的方法，该方法被命名为Shor方法，表明一个特别为量子计算机设计的整体数学运算可以使这个机器以极J决的速度把巨大的数字分解因式，这个速度比传统计算机的速度快得多.随着理论的突破，对量子计算机的兴趣不再只局限于学术界，而是引起了全世界各领域人士的广泛关注.

 

　　目前，量子信息处理技术己经取得了很大且极有希望的进展.这些进展包括建立了2位和3位qubit的量子计算机，能够运行一些简单的算法，也能进行数据存储.

 

　　2000年8月，美国IBM公司、斯坦福大学和卡尔加里大学科学家宣布研制出了世界上最先进的量子计算机.该量子计算机使用了5个原子作为处理器和内存计算机.

 

　　2007年，加拿大D Wave公司成功研制出一台具有16昆比特的“猎户星座”量子计算机，并于2008年2月13日和2月15日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机.

 

　　2009年11月15日，美国国家标准技术研究院研制出可处理两个昆比特数据的量子计算机.

 

　　不过，量子计算机仍存在着相当多的问题.尽管每个量子门的准确率都在90%以上，而当综合使用时计算机的整体准确率却下降.只有有效提高芯片的运行准确率，在准确率提升至99. 99%时，该芯片才能作为量子处理器的主要部件，最终实现通用编程量子计算机的实际应用.

 

　　基于量子芯片在下一代计算机产业和国家安全等方而的重要性，美国己启动“微型曼哈顿计划”.日本和欧共体在美国微型曼哈顿计划的刺激下也紧跟其后启动类似计划，这对我国是个严峻挑战.中国科学院院士郭光灿等人认为，新一轮国际战略竞争的焦点是“量子芯片”，这是我国改变目前在微电子工业受制于人的被动局而的新机遇，不能再重蹈没有核心技术的旧辙，应当在起跑线上采取有力措施参与这场关系到国家重大利益的激烈竞争.

 

　　5量子计算机的未来展望

 

　　目前，量子计算物理实现的最大障碍是退相干问题，理论上描述承载量子计算昆比特是封闭的，无其他环境噪声干扰，而实际上这种环境噪声干扰是不可避免的.Unruh在1995年就发现，环境噪声干扰会导致量子计算过程退化为经典的概率计算过程，这使量子机算机的优势不复存在，对量子计算机来说是灾难性的.因此，量子计算机中退相干的克服，在理论上和实验上都是人们最关注的问题，量子纠错方案被寄予厚望，量子纠错理论成为研究中最热门的课题.理论上虽然己提出各种量子纠错码，但在实验上，如何利用量子编码来有效地克服退相干，根据量子计算机的具体物理模型，来寻找相应的最有效的退相干克服方案，这还是一个富于挑战性的问题.

 

　　与量子计算理论上的突飞猛进相比，量子计算机的实验方案还很初步.现在的实验只制备出单个的量子逻辑门，远未达到实现计算所需要的逻辑门网络.实验物理学家正在寻找更有效的制备途径，以克服退相干并实现逻辑门的级联.

 

　　量子计算始于“穆尔定律”终结处.按照着名的“穆尔定律”，随着电路板蚀刻精度越来越高，中央处理器芯片上集成的晶体管器件越来越密，现有芯片制造方法将在未来10多年内达到极限，无法突破到分子以下的尺度.这一极限可能会出现在2020年.为此，世界各国的研究人员正在加紧开发新型计算机.除量子计算机外，生物计算机和光计算机等也代表着未来计算机的发展方向.