量子计算机

量子计算机 颜泽海(08180132) 段馨磊(08180216) (浙江师范大学物理学08级) 摘要: 量子论的提出已有一百多年，量子力学的建立，也历时八十余载。量子力学对人类的现代物质文明发展有着巨大的推动作用，它基于原子水平上的物质结构及其性质为其应用提供了广阔的发展前景，量子力学在信息科学和技术的应用使得量子通信与量子计算取得巨大成就，其中量子计算机的提出对于现代通信技术及计算机技术产生了深远的影响，目前量子计算机的研制已成为热点，相信在不久的将来量子计算机将取代电子计算机成为主流。本文旨在阐述量子计算机及其发展，基于目前学生水平的限制，还未能有所创新，希望在以后的学习中，自己能有所作为，以此自励。 关键词: 量子计算机 信息储存传输 通信 计算 量子力学 量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。 人们对观察结果用经典物理学语言描述时，发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图象，或主要表现为粒子行为。而量子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。 量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关联实验的结论，也定量地支持了量子态不可分离。 量子力学的诞生 19世纪末20世纪初，经典物理已经发展到了相当完善的地步，但在实验方面又遇到了一些严重的困难，这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”，正是这几朵乌云引发了物理界的变革 量子力学的建立 量子力学本身是在1923-1927年一段时间中建立起来的。两个等价的理论---矩阵力学和波动力学几乎同时提出。矩阵力学的提出与Bohr的早期量子论有很密切的关系。Heisenberg一方面继承了早期量子论中合理的内核，如能量量子化、定态、跃迁等概念，同时又摒弃了一些没有实验根据的概念，如电子轨道的概念。Heisenberg、Bohn和Jordan的矩阵力学，从物理上可观测量，赋予每一个物理量一个矩阵，它们的代数运算规则与经典物理量不同，遵守乘法不可易的代数。波动力学来源于物质波的思想。薛定谔在物质波的启发下，找到一个量子体系物质波的运动方程-薛定谔方程，它是波动力学的核心。后来薛定谔还证明，矩阵力学与波动力学完全等价，是同一种力学规律的两种不同形式的表述。事实上，量子理论还可以更为普遍的表述出来，这是Dirac和Jordan的工作。 量子物理学的建立是许多物理学家共同努力的结晶，它标志着物理学研究工作第一次集体的胜利。 量子计算机的概念 量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看经典计算。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 量子计算机是一类遵循量子力换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。 学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢,问题的是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力，由此，科学家想到既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示，从而运用到量子计算机中.当今的计算机厂商提供的强大计算处理能力仍不能满足我们对运算速度和运算能力的渴求。当存储器达到1024兆位时，集成电路的线宽将细到0.1微米，也就是千万分之一米。这样细的电路，被认为是集成电路的发展极 ，电路比这更细时，现有电子元件将失去工作的理论基础 1981年，美国物理学家理查德?费曼提出，人们能够研制出“遵循量子力学法则的微型计算机”。他认为，这样的量子计算机可能是模拟现实世界量子系统的最好方式。自那时起，各国科学家一直在马不停蹄地研制量子计算机，但结果始终不尽如人意。 早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性。 今天我们使用的计算机通过操作具有两种状态的位元(0或1)进行工作。量子计算机不只依靠两种状态。它们将信息 编码为量子比特，或称昆比特。量子比特可以是1或0，也可以是某种叠加态:即同时是1、0或二者之间的某个值。量子比特由一组原子实现，它们协同工作起到计算机内存和处理器的作用。量子计算机，早先由理查德费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德?费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。 2 量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得?秀尔提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的 RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。 半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。 图2:布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法，是建立量子计算机的基础。 20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢,问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本 信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，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。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。 1994年，贝尔实验室的专家彼得?秀尔证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。 量子计算机的基本元件是量子比特， 根据量子力学的基本原理，一个量子比特可以同时有两种状态;两个量子比特则可以同时表示4种状态;三个量子比特可以同时表示8种状态等等。随着量子比特数目的增加，其运算能力也呈指数级增加。当然，这其中也面临着一定的困难。测量或者观测一个量子比特的行为可能会剥夺其计算潜力。于是，研究人员使用了量子纠缠来获取信息 在量子纠缠中，粒子被连接在一起，测量其中一个粒子的属性便可以直接揭示另一个粒子的相关信息，不管这两个粒子相距多远。但是，如何进一步高效地扩展纠缠的量子比特数目并让其维持这种纠缠状态，正是量子信息研究领域遭遇的严峻挑战。 一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0和1。两个昆比特位能同时储存所有的4个二进制数。三个昆比特位能储存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2300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的威力: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 1994年两位物理学家尼尔和艾萨克已经研制出一台最为基本的量子计算机，能够进行简单的运算。使用丙胺酸，它可以完成,，,的运算，使用液态氯仿，还能解决其他问题。物理学家们现在正努力研究出一种比较复杂的计算机，能够将15分解成,乘,。 近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。目前，美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。 2000年日本日立公司开发成功一种量子元件——“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动，具有体积小，功耗低的特点，比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。日本富士通公司正在开发量子元件超高密度存储器，在1平方厘米面积的芯片上，可存储10万亿比特的信息，相当于可存储6000亿个汉字。美国物理学家的翰逊博士开发成功的电子自旋晶体管，有可能将集成电路的线宽降至0.01微米。在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管，使集成电路的集成度大大提高。 2000年3月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们宣布研制了一台包含7个量子比特，存在于一滴液体中的量子计算机。该量子计算机使用核磁共振操纵反式丁烯酸分子原子核中的粒子。反式丁烯酸是一种简单的液体，其分子由六个氢原子和四个碳原子组成。核 磁共振可用来产生促使粒子排列起来的电磁脉冲。处于与磁场方向相同或相反的位置的粒子使得该量子计算机可以模仿数字计算机来按比特对信息进行编码。 中国科技大学研制成功世界上第一台量子计算机。 2007年初，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature Physic》上发表论文，成功制备了国际上纠缠光子数最多的"薛定谔猫"态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录，成果被欧洲物理学会和《Nature》杂志等广泛报道。 量子计算机可以进行大数的因式分解，量子系统的模拟,和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。 量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。未来处理能力超强的量子计算机将能够在数秒钟内完成目前速度最快的超级计算机数年才能完成的计算任务。量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。 世界首台量子计算机的问世 1920年，奥地利人埃尔温.薛定谔、爱因斯坦和狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。 量子计算机的技术概念最早由理查得?费曼提出，后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。 2009年11月15日，世界首台量子计算机正式在美国诞生， 这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。较之传统计算机中的“0”和“1”比特，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。 研究人员‘大卫?汉尼克’表示，通用编程量子计算机采用了量子逻辑门技术来处理数据。制造量子逻辑门需设计一系列激光脉冲，以操纵铍离子进行数据处理，再由另一个激光脉冲读取计算结果。一个简单的单量子比特门，可从0转换成1，也可从1转换成0。但与传统计算机的物理逻辑门不同的是，这台设备的量子逻辑门均已编码成激光脉冲。当激光脉冲量子门对量子比特实行简单逻辑操作时，铍离子便会开始旋转，实现对量子比特的存储。 这台量子计算机的核心部件是具金色图样的铝晶片，内含直径约为200微米的电磁圈。科学家将两个镁离子和两个铍离子置于电磁圈中，镁离子可起到“稳定剂”的作用，消除离子链的不必要振动，保持计算机的稳定性。 由于两个量子比特的操作具有多种可能，研究小组随机选取了160种操作方式进行了演示，以验证处理器的通用性。每次操作都用31个不同的量子门击打量子比特，将其编码成激光脉冲。这其中大部分为单量子比特门，脉冲只需要与单一离子进行相互作用。少数的双量子比特门则需要与两个离子同时发生交互作用。而通过对电磁圈旁黄金电极上的电荷进行控制，研究人员能有效增加所需的离子数量。 不过，这一量子计算机仍存在着相当的问题。例如，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到 79%。这主要是由于激光 脉冲的强度不同所造成的，汉内克解释说:“脉冲的波动性可造成这种误差，而光线的散射和反射等，也可能是原因。” 研究小组表示，通过提升激光的稳定性和减少光学设备的误差，可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。 量子计算机的广阔前景 社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力，从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。 近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。 目前，美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所，清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。 2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机(尚未经科学检验)，如果他们是诚信的，这个工作的意义就非常重大，或许，可实际应用的量子计算机会在几年内出现，量子计算机的时代真的要开始了～ 2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机，该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。 参考文献: , 谭华涛 量子计算机的最新进展 教育部科技发展中心内刊 , 潘平 两种逻辑门及其研究进展 贵州大学学报 , 王德奎 刘月生 从电脑信息论到量子计算机信息论 河池学院学 报 , 谷国太 肖汉 量子计算的研究与应用 河南理工大学学报 , 曾谨言 《量子力学》