1、 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic 量 子 超 級 個 人 電 腦（QSPC）光 算 機(jī) 概 論。 相關(guān)分類： HYPERLINK /groups/g950g950:電腦教程/ 電腦教程 上一頁 1 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic/page2 2 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic/page3 3 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic/page4 4 HYPERLINK /groups/g950g950/188263

2、.topic/page2 下一頁 窗體頂端窗體底端 HYPERLINK /members/u747515/ g950g950 (組長) 2007/9/11 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic l post307736 頂樓 HYPERLINK /groups/tousu/topics/new 舉報 量子光算機(jī)量子計算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時，它就是量子計算機(jī)。量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究。研究可逆計算機(jī)的目的是為了解決計算機(jī)中的能耗問題

3、(散熱問題)。20世紀(jì)60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗(熱量)會導(dǎo)致計算機(jī)中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計算機(jī)的運(yùn)行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗(熱量)來源于計算過程中的不可逆操作。那么是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有古典計算機(jī)都可以找到一種對應(yīng)的可逆計算機(jī)，而且不影響運(yùn)算能力。既然計算機(jī)中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學(xué)中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機(jī)，實際上是用量子力學(xué)語言描述的古典計算機(jī)，并沒有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。在古典計算機(jī)中，基本信息單位為比特(Bits)，運(yùn)算對象是各種比特序列(B

4、ytes)。與此類似，在量子計算機(jī)中，基本信息單位是量子比特(quBits)，運(yùn)算對象是量子比特序列(quBytes)。所不同的是，量子比特序列(quBytes)不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與古典計算機(jī)不同，量子計算機(jī)可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對古典計算作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，古典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機(jī)對每一個疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進(jìn)

5、行并行計算外，量子計算機(jī)的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是古典計算機(jī)無法勝任的。無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計算機(jī)中，量子比特(quBits)不是一個孤立的系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼(quCode)方案是：量子糾錯碼(quECC)、量子避錯碼(quEAC)和量子防錯碼(quDMC)。量子糾錯碼是古典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點為

6、適用范圍廣，缺點是效率不高。迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機(jī)。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計，而這種新設(shè)計又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對于目前古典電子計算機(jī)一樣。研究量子計算機(jī)的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機(jī)。

7、量子計算機(jī)使計算的概念煥然一新，這是量子計算機(jī)與其他計算機(jī)如：光計算機(jī)和生物計算機(jī)等的不同之處。量子計算機(jī)的作用遠(yuǎn)不止是解決一些古典計算機(jī)無法解決的問題。想像口袋中裝著超高速電腦是什么樣子？量子電腦（Quantum Computer）有著比現(xiàn)在傳統(tǒng)電腦強(qiáng)大許多倍的計算能力。至今理論研究已日趨完善，然而目前世界上還沒有真正意義上的量子電腦，換句話說，可以實用量產(chǎn)的系統(tǒng)還未出。今年2月中旬，加拿大一家新成立的公司宣稱推出全球第一臺商用量子電腦，引起專家學(xué)者的質(zhì)疑和議論。也不禁令人遐想，量子電腦的時代提前來臨了嗎？量子電腦是根據(jù)原子或原子核所具有的量子學(xué)特性來工作，運(yùn)用量子情報學(xué)，基于量子效應(yīng)構(gòu)建的

8、一個完全以量子位（quBits）為基礎(chǔ)的電腦。位于溫哥華的D-Wave公司宣稱，該公司以量子學(xué)原理所研發(fā)出的電腦將比當(dāng)今世上最優(yōu)質(zhì)電腦的操作系統(tǒng)快出許多倍來。這臺名為Orion（獵戶座）的電腦，使用傳統(tǒng)的平版印刷術(shù)，搭配核心的一塊超低溫、超導(dǎo)鈮芯片，可處理16個量子位（qubits）。核心芯片必須冷卻至接近絕對零度(-273.15)，以便其計算過程中維持量子狀態(tài)。該公司表示，這臺量子電腦可同時進(jìn)行6萬4,000個運(yùn)算程序。根據(jù)量子學(xué)定律，在電路圖所流動的數(shù)位位可能代表的是0也可能是1，量子電腦有辦法應(yīng)付處理大量且更復(fù)雜的電腦指令。該公司的執(zhí)行長賀伯馬?。℉erb Martin）表示，某些不同種

9、類的問題是無法用數(shù)位電腦解決的。數(shù)位電腦很適于跑程序，量子電腦則對于應(yīng)付大量不同的可變因素很在行。D-Wave公司聲稱其于2月13日展示的量子電腦原型是全球第一臺商用電腦，內(nèi)裝有可以執(zhí)行16量子位（qubits）的量子芯片。該公司計劃在未來的18個月內(nèi)，于2007年底將速度提高到（32 qubits）， 于2008年將速度提高到（512 qubits）到（1024 qubits），并開始提供商業(yè)租用。量子電腦的外型長得如何？當(dāng)前它的原型和大型的電冰箱一樣大，溫度更低。因為它所使用的超導(dǎo)體電路必須冷凍保存，以便大量的運(yùn)算程序能夠順利進(jìn)行。量子電腦有什么用途呢？賀伯馬丁表示，人類可以使用量子電腦來

10、設(shè)計基因藥物。（每個人體細(xì)胞有3億個基本成對數(shù)DNA或者是著名DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的梯）；企業(yè)也可以用量子電腦來管理他們的產(chǎn)物供需鏈。馬丁說：想想看，倘若某家公司有40個工廠并生產(chǎn)了100萬不同的零件，那么需要記錄的事務(wù)可就不少了。量子電腦亦可被用于維護(hù)安全。由于911事件，許多各國政府及公司都紛紛重視生物統(tǒng)計學(xué)，建立了大量有關(guān)他們欲追蹤對象的圖片、指紋以及其他多樣種類方法的資料庫(DB)。恐怖分子名單上的人，即使能安全地通過海關(guān)檢查。藉由量子電腦基本上能夠快速地藉由先前已由安全局輸入的龐大資料庫中來再次校對是否對方為恐怖分子。馬丁表示，該產(chǎn)品的推出證明量子電腦商業(yè)化這個技術(shù)的概念。D-Wave的

11、潛在客戶是商業(yè)界。商業(yè)界人士不在乎這個技術(shù)如何可行，只要能解決他們復(fù)雜的商業(yè)方式。商業(yè)用途的電腦不需要太花俏的技術(shù)細(xì)節(jié)。事實上，D-Wave的電腦是一臺混血機(jī)種，使用傳統(tǒng)數(shù)位電腦，搭配量子芯片做為加速器或者副處理器（co-processor）。后端是一臺機(jī)架式電腦（rack-mounted PC）搭配處理器。主要的部分是這顆量子芯片，由鈮鋁超導(dǎo)材質(zhì)制成，冷凍存貯在氦液桶中。量子電腦之所以能達(dá)到高速運(yùn)算是因為他的基本資料單位為量子位（qubits），可以同時處理0和1，并快速處理所有的量子位（qubits）。目前我們使用的數(shù)位電腦計算一次只能處理一個資料位（data bit）。大多數(shù)的工程師都認(rèn)

12、為量子電腦的技術(shù)還有一段遙遠(yuǎn)的路要走。實用的量子電腦至少還要10年以上的時間才會問世才對。D-Wave公司于今年2月 13日發(fā)表這臺量子電腦原型，是通過網(wǎng)絡(luò)連結(jié)的方式聯(lián)機(jī)發(fā)表，更加引起專家學(xué)者質(zhì)疑其真實性。美國宇航局（NASA）位于加州Pasadena的Jet Propulsion實驗室的工程師Alan Kleinsasser于3月7日公開承認(rèn)他們確曾為D-Wave量身訂制一顆特別的量子芯片。對于NASA的 Microdevices 實驗室（隸屬于JetPropulsion實驗室）工程師來說，接受客戶委托開發(fā)超導(dǎo)體線路芯片是一件很平常的事。他們也曾接受委托替紐約的Hypres Inc設(shè)計芯片，

13、也曾替歐洲太空局（European Space Agency）的希瑟（Herschel）任務(wù)制造宇宙飛船設(shè)備。量子電腦是否真如D-Wave所言不久后就會在現(xiàn)實生活中上演了呢?大多數(shù)的知名電腦公司對此感到質(zhì)疑。另有專家認(rèn)為，如果真能有這樣一臺實用的量子系統(tǒng)，特別在財務(wù)系統(tǒng)的加解密還很脆弱的此時，這將是一項重要的技術(shù)突破。但專家同時認(rèn)為，像D-Wave這樣的小公司若真擁有這樣的技術(shù)一定會積極發(fā)展，在他們獲得技術(shù)解決方案的58年內(nèi)，很可能被重量級的技術(shù)先驅(qū)如Intel和IBM網(wǎng)羅。利用量子電腦來開創(chuàng)電腦新紀(jì)元是世界上許多實驗室熱情追逐的夢想。D-Wave公司利用量子芯片和傳統(tǒng)電腦結(jié)合以達(dá)到其商業(yè)化的

14、用途，雖然離學(xué)術(shù)上的專業(yè)還有一段距離，但似乎預(yù)告量子時代提前來臨的可能性。多數(shù)分析家表示，目前量子電腦的關(guān)鍵問題在對微觀量子態(tài)的操縱困難。也許將來人類會發(fā)現(xiàn)一種全新的設(shè)計、全新的材料，就像半導(dǎo)體材料對于古典電機(jī)計算器（ENIAC）的發(fā)展一樣。 2008/1/9 被 HYPERLINK /members/u747515 g950g950 最后編輯 | HYPERLINK /groups/g950g950/posthistory/307736 t _blank 查看全部 HYPERLINK /members/u747515/ g950g950 (組長) 2007/9/11 HYPERLINK /g

15、roups/g950g950/188263.topic l post307740 2樓 HYPERLINK /groups/tousu/topics/new 舉報 量子資訊淺談由於科技日新月異，處理器的尺度越做越小、速度也越來越快?？墒怯伸顿Y訊的發(fā)達(dá)，人們對於尺度、速度的要求也相對的越來越高，也由於如此未來的科技也是必將趨向於小尺度的發(fā)展，但在越來越小尺度的同時也將會面臨的一個問題量子效應(yīng)。今天信息科學(xué)在推動社會文明進(jìn)步和提高人類生活質(zhì)量方面發(fā)揮著令人驚嘆的作用。但是現(xiàn)有信息系統(tǒng)的功能已接近於極限值。電子計算機(jī)在過去30年中，每個芯片上集成的晶體管數(shù)目隨時間成指數(shù)增長，這個被稱為摩爾定律的經(jīng)驗

16、法則預(yù)示著，10多年以後計算機(jī)儲存單元將是單個原子，電子在電路中的行為將不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，於是就提出量子效應(yīng)究竟會對計算機(jī)運(yùn)算速度產(chǎn)生什麼樣影響的問題。因此信息科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展必須借助於新的原理和新的方法。由於量子特性在信息領(lǐng)域中有著獨特的功能，在提高運(yùn)算速度確保信息安全，增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，因而量子力學(xué)便首先在信息科學(xué)中得到應(yīng)用，一門新的學(xué)科分支量子信息學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。該學(xué)科適量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以量子力學(xué)的疊加原理為基礎(chǔ)研究信息處理的一門新興前沿科學(xué)。量子信息學(xué)包括量子密碼術(shù)、量子通信、量子計算機(jī)、量子數(shù)據(jù)庫、量子病毒、量子黑客

17、、量子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等幾個方面，近年來在理論和實驗上都取得了重大的突破。有朝一日量子電腦真的能成為事實，除了速度快以外根據(jù)科學(xué)家的推測，它的作業(yè)速度將等於現(xiàn)在你每天都在使用的古典騙錢多(Intel Pentium D)、A錢多(AMD)電腦40億部同時使用例如：要完成一個64為數(shù)字的因子分解，即使現(xiàn)在的超級電腦也要花上比宇宙年齡還長的時間，然而原則上量子電腦卻可以在短時間內(nèi)求解這一問題，而且他還能做到許多當(dāng)前電腦做不到的事。目前量子電腦已經(jīng)由史前時代進(jìn)入了實驗時代了，人們在找尋更多適用於量子電腦的計算法則以能充分發(fā)揮量子電腦的功效。雖然我們還不知道量子電腦的研究何時才會變成工程問題，但是目前的成就已

18、足使每個人振奮了。讀過費(fèi)因曼 ( R. P. Feynman ) 的故事的人都知道，他也曾應(yīng)聘於某電腦公司去設(shè)計電腦。物理學(xué)家怎麼也設(shè)計起電腦來了？原來當(dāng)電腦越做越小、速度越來越快量子力學(xué)效應(yīng)就不能不考慮了。50年來幾乎每隔兩年電腦速度就加快一倍。大家可以想想身邊的個人電腦、從十幾年前的頻果二號電腦到現(xiàn)在的騙錢多核心就是一個例子。但是這個趨勢會繼續(xù)下去嗎？總有一天路會走道盡頭、無論如何快訊息傳遞的速度不會快於光速。無論積體電路做得如何小，總不會小過原子。當(dāng)這一天來臨時怎麼辦？這個世界將變成什麼樣子？其實幾十年前IBM公司的R. Landauer 及 C.H. Bennett 就已經(jīng)在考慮這個問

19、題了。他們要問的問題是：到底電路原件最小可以做到多??？計算過程中最少要花多少能量？電腦無論如何也該遵守物理定律例如：熱力學(xué)就告訴我們一個引擎的效率有一定的極限。那麼對於量子電腦，是否也有某些物理極限存在呢？80年代初期P.Benioff告訴我們原則上量子電腦是可行的。後來有英國的D.Deutsch及美國、以色列等的其他一些人也做過一些研究。不過80年代中期，這股熱潮卻又衰退了。主要原因是：他們研討的量子電腦非常的抽象；討論的問題總是一樣。例如：貝爾不等式、多世詮釋、EPR悖論等。而且跡象顯示量子電腦很容易出錯卻不易修正（加上沒有遇到神）。量子法則量子電腦的研究運(yùn)用到了很多抽象的理論以及法則，在

20、這里我們將討論到一條重要的量子法則，這條重要的法則就是：物理時在具有無法消除的隨機(jī)性，而且這種隨機(jī)性是人們無法預(yù)測的，我們稱只為不可約隨機(jī)性。物理時在顯現(xiàn)出至今尚未發(fā)現(xiàn)的法則所制約的隨機(jī)性以致出現(xiàn)種種奇異現(xiàn)象，使研究這些現(xiàn)象的人都困惑不解，甚至連量子理論的先驅(qū)們都深感震撼和吃驚。宇宙為什麼會在其最基本層次上賦予我們這樣一個無法排除的不確定性的根源呢？仔細(xì)的研讀從最初的奠基人到現(xiàn)在的量子物理學(xué)家們的手稿，不難看出他們所流露出來的困惑和迷惘，他們無法相信世界會是這樣構(gòu)造出來的。然而量子理論仍是迄今為止最成功的理論。由量子理論所做的預(yù)言與實際測量的吻合，達(dá)到史無前例的精確程度。它的大多數(shù)違背常規(guī)的預(yù)

21、言不斷地為越來越多精巧實驗所驗證。量子理論為我們提供了對物理世界的正確理解。并且量子理論在更大程度上將成為新的高科技量子技術(shù)的基石。毫無疑問自然界是按照量子法則建立起來的。然而盡管量子力學(xué)已獲得如此大的功勞，但對其爭論仍不斷持續(xù)著。有如此鮮明的世界怎會建立在無法消除的隨機(jī)性之上呢？答案尚未曾明。但它的關(guān)鍵在於量子隨機(jī)性的特質(zhì)。如果在分束器的兩個輸出方向上各放置一個光子計數(shù)器，并且調(diào)低輸出光的強(qiáng)度，那麼我們會看到什麼現(xiàn)象呢？我們將會發(fā)現(xiàn)所測到的光的強(qiáng)度開始起伏。有時L探測器上紀(jì)錄到的光子數(shù)會比U探測器上紀(jì)錄到的多一些，有時則剛好相反。雖然這些起伏可能相較於每個探測器上全部的光子計數(shù)要小的多，但當(dāng)

22、我們繼續(xù)調(diào)低光的強(qiáng)度這個起伏就會變的非常顯著。在單光子水準(zhǔn)亦即在任何一個給定的時間間隔內(nèi)，我們至多只能紀(jì)錄到一個光子，這時會出現(xiàn)這樣的結(jié)果：我們根本紀(jì)錄不到光子或者只有在U探測器上紀(jì)錄到一個光子而L探測器上沒有或者相反。每一個探測器上能否紀(jì)錄到光子是完全隨機(jī)的，就向投擲硬幣出現(xiàn)正面或反面一樣，即使我們完全知道輸入光的所有情況，也不能預(yù)言哪一個探測器將會紀(jì)錄到光子。如果我們在單光子的水準(zhǔn)上一便又一便的重復(fù)這一實驗，我們就會發(fā)現(xiàn)每個計數(shù)器上所紀(jì)錄到的光子大致是全部光子的一半。在這里我們接觸到了無法消除的隨機(jī)性。為了解釋這一實驗，我們提出的觀點是：當(dāng)單個光子遇到分束器的時候，它將以相等的概率被反射或

23、透射(這里我們假定了分束器并不吸收光子)。無論我們對輸入光的情形了解的如何詳細(xì)，都不能預(yù)言比這更多的內(nèi)容。我們所能獲得的全部知識就是這種奇怪的反射和透射現(xiàn)象。實際上我們已經(jīng)具備了關(guān)於光和分束器的精確理論，這就是量子理論。也許你可能會認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)更多地去了解關(guān)於光子和分束器的情況，以便能預(yù)言單個光子的確切路徑。也許光子可以分成兩類，一類會分束器反射、另一類則會被透射。也許每個光子都攜帶著控制他們自身行為的某種指令，當(dāng)他們遇到分束器時某種基因會告訴他們在這種情況下該如何行事，借助於這樣的一種隱變量，我們當(dāng)然就找到了解釋光子在分束器上顯現(xiàn)出的隨機(jī)性行為的一種有效途徑。倘若量子理論不能告訴我們這個隱

24、變量是什麼，那麼量子理論的處境可說是岌岌可危了，但是事實卻不然反而量子理論卻是屹立不搖，既然量子理論是那麼的屹立不搖，那麼就一定有個合理的解釋來說明隱變量，的確如此。假定我們讓一束光連續(xù)第通過兩個分束器如圖二所示。輸入光束被分成相等的兩束，每束光沿著兩條分離的路徑傳播，直到再一次落到一個分束器上。我們稱這兩條路徑中的一條為上路徑(U路徑)，另一條為下路徑(L路徑)。在經(jīng)過第二個分束器之後，兩條輸出光分別落到一個光子計數(shù)器上，我們分別定為L和U。我們稍稍移動上方的反射鏡來調(diào)整光學(xué)儀器內(nèi)部的路徑長度，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鏡子的位置，可以使得僅有L探測器能夠紀(jì)錄到光強(qiáng)，反之亦可使只有U探測器能紀(jì)錄到光強(qiáng)，關(guān)於

25、這一點光的波動理論很容易透過干涉效應(yīng)來解釋這些現(xiàn)象，干涉是波動的本質(zhì)特性，但是如果光是粒子的話我們能否對這一現(xiàn)象做出合理的解釋呢？通常我們毋須這樣做，因為實驗所采取的光都很強(qiáng)，以致根本不必去探測單個光子，雖然不必去探測單個光子，但是我們可以使用單個光子來做實驗。現(xiàn)在我們調(diào)整角度使兩個探測器的光強(qiáng)度達(dá)到總光強(qiáng)的一半，然後再調(diào)低光強(qiáng)達(dá)到單光子水準(zhǔn)(這里我們假定了一分束器并不吸收光子)，現(xiàn)在假設(shè)每一個光子都攜帶著一個基因或稱其為決定光子在分束器上是被反射還是被透射的隱變量。在圖二中我們將會看到，如果它被第一個分束器所反射，那它也會被第二的分束器所反射，而導(dǎo)致被U探測器所紀(jì)錄到。如果它是透射型的光子，

26、最後也將被U探測器所紀(jì)錄到。很顯然的隱變數(shù)這種說法是不正確的?，F(xiàn)在我們所面臨的困難很明顯的，在很低強(qiáng)度的輸入下，我們每次只能計數(shù)到一個光子，每個光子在每一個分束器上的行為就像是在拋一枚硬幣，如果它要與在高光強(qiáng)下的實驗觀察相符的話，實驗輸出還必須依賴於儀器的路徑差，這樣才能與光的波動理論相一致，而我們怎樣才能把這種不可約的隨機(jī)性同干涉聯(lián)系起來呢？關(guān)鍵在於找到一種方法，使得概率依賴於路徑差。通過對拉普拉斯規(guī)則和貝葉斯規(guī)則稍加改動，量子力學(xué)終於對此作出解釋。首先概率不是最基本的，在一個更深層次上它是由概率幅所決定而概率幅是不像隱變量那樣地。我們有兩個概率幅(-1/2,1/2)和(-1/2,1/2)。

27、兩個概率和是(0,0)。於是合成概率幅的平方和當(dāng)然是0，這表示該事件不會發(fā)生，盡管分事件中的概率不是0，而是由於我們實現(xiàn)了概率幅的相加，使得即使分事件中的概率不是0，合成事件的發(fā)生率仍可能為0。量子糾纏1982年在巴黎由Alain Aspectc和她的合作者們所作的Aspectc實驗解決了一個由愛因斯坦、波多耳斯基(Boris Podolsky)和羅孫(Nathan Rosen)於1935年所提出的問題。這三位學(xué)者發(fā)表了一篇已為現(xiàn)代人所熟知的題為EPR的論文。正是這篇論文引發(fā)了阿斯派克特(Alain Aspectc)的實驗動機(jī)，不僅如此這篇論文仍是當(dāng)今物理學(xué)中一個非?；钴S的領(lǐng)域的起因，同時EP

28、R將我們的注意力引向令人困惑的問題：量子糾纏(quanturn entanglement)。在一場愛因斯坦與玻爾就量子論的爭論中，也許大多數(shù)的物理學(xué)家認(rèn)為玻爾贏得了這場爭論，但是對於愛因斯坦所提出的EPR理論，玻爾沒能給出一個確定式的回答，玻爾在EPR論文中看到在考慮多粒子體系時量子理論會導(dǎo)致純粹的量子效應(yīng)。量子理論的又一個奠基人薛丁格，將這樣的系統(tǒng)稱之為糾纏系統(tǒng)。正是在這種糾纏系統(tǒng)中，量子理論關(guān)於實在的觀點所表現(xiàn)出來的具有真正革命性的特徵變的越發(fā)明顯。在EPR論文中量子理論被應(yīng)用到一個兩粒子的系統(tǒng)。這兩粒子在初始的某個時刻相互作用，然後它們被沿著相反的方向移開。在一時間之後，他們已經(jīng)被分開一

29、段非常大的距離，這兩個粒子分別進(jìn)入一個測量裝置已確定每一個粒子的某一種古典性質(zhì)。例如：測量每一個粒子的動量或者測量一個粒子的動量而測量另外一個粒子的位置。其中很關(guān)鍵的一點在於：由於這兩個粒子在過去以某種特殊的方式發(fā)生了交互作用，所以這兩個粒子的測量結(jié)果之間將存在著很強(qiáng)的關(guān)系。舉例來說：如果發(fā)現(xiàn)一個粒子有特殊的動量，這對粒子中的另一個將恰好有一個與其大小相等方向相反的動量。由於存在這種良好的關(guān)聯(lián)性質(zhì)，換句話說我們只要給定一粒子的測量結(jié)果，我們就能確切地預(yù)言第二個粒子動量的測量結(jié)果。這聽起來并不奇怪，而這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象也引發(fā)了量子糾纏及其特殊作用隱形傳送(teleporting)，稍後再做介紹。在

30、EPR論文中的粒子，我們可以做更多種類的測量，我們可以測其動量也可以測其位置，如果他們的動量是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的，那麼正如我們所期望那樣，可以證明粒子的位置也是僅僅相關(guān)的。於是代替動量的測量，我們也可很好地測出它的位置。這對於EPR中的另一個粒子，我們可以不經(jīng)任何方式的相互作用，就可以確定地預(yù)言它的位置，這樣看來似乎沒有任何奇異之處。但是量子理論的一個重要理論是：對於單個粒子，不存在著在這個狀態(tài)中的粒子有著精確的動量值同時又有著精確的位置。這一結(jié)論稱之為不確定性原理(uncertainty principle)。關(guān)於這點又將如何回答呢？傳統(tǒng)量子力學(xué)的回答是使用了一種所謂條件態(tài)(conditional s

31、tste)的概念。某個粒子的態(tài)完全地描述了粒子的制備和系統(tǒng)的各個細(xì)節(jié)，它使我們決定對這個系統(tǒng)實施測量所能得到的結(jié)果。這隱含著如果我們制備了一大批處於相同態(tài)的粒子，這個狀態(tài)有著精確的位置但我們不是去測量位置而是測量動量，那麼我們就會得到一大串不同的數(shù)據(jù)相反地也是如此。但是從量子的思路來思考，他們認(rèn)為EPR方案的問題在於：如果我們選擇粒子的位置進(jìn)行測量，并得到一個結(jié)果，那麼它的另一個相關(guān)聯(lián)性的粒子的條件態(tài)必須做出相應(yīng)的改，以體現(xiàn)出我們已獲得的知識和我們事先了解到的粒子之間的關(guān)聯(lián)。但是如果我們選擇對第一個粒子的動量進(jìn)行測量，它的第二個粒子的條件態(tài)就會與位置的條件態(tài)不，也就是說：它現(xiàn)在處的是一個有確定

32、動量的態(tài)而不是有確定的位置。然而無論是玻爾還是愛因斯坦都沒洞悉他們所討論的糾纏態(tài)的全部涵義，經(jīng)過數(shù)十年的努力之後這些含義才逐漸被挖掘出來。在這里量子糾纏描述了對兩個粒子實施局預(yù)測量(local measurement)其結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)并不能由通常的概率理論來解釋，然而對大糾纏態(tài)而言對其實施的局域測量其結(jié)果是完全隨機(jī)的。當(dāng)中定義糾纏的關(guān)鍵因素是實現(xiàn)關(guān)聯(lián)的兩種不同路徑的概率必須由兩個有著相同長度但可以有不同指向的概率幅所決定。隱形傳送1993年3月Physical Review Litters發(fā)表了一篇引人關(guān)注的論文，其題目本身就使人難以置信：隱形傳送(teleporting)這個詞聽起來有點不尋

33、常。然而這篇文章所揭示的正是這樣一個令人驚異的事實：通過局域的測量和古典通訊一個處於為費(fèi)曼規(guī)則所描述的態(tài)上的粒子，在某地經(jīng)受到一次測量，而在另一個地方的另一個粒子依照所收到的古典訊息，可以將自己變換成與原來粒子相同的態(tài)。同所有的量子方案一樣，這一方案也是利用了量子隨機(jī)性的奇異特性?，F(xiàn)在我們來介紹隱形魔術(shù)Bob和Alice分別工作在兩個離的非常遠(yuǎn)的實驗室，他們彼此之間不實地發(fā)送量子粒子以取得連絡(luò)?，F(xiàn)在Bob制備了兩個處於量子糾纏態(tài)的粒子，它們具有兩種不同的磁化方向，上和下?，F(xiàn)在Bob又制備了一個粒子，稱它為控制位元，當(dāng)Bob要傳送一個未知態(tài)的粒子給Alice時，Bob可對這一未知態(tài)的粒子來做操作

34、，未知態(tài)的粒子隨著操作的同時便會消失，然後Bob透過一個古典頻道來告訴Alice如何操作便會得到Bob所要傳給Alice的這一個未知態(tài)，當(dāng)Alice再依Bob所告訴她的操作過程反操作，這時便會得到Bob之前所要傳給她的這一個未知態(tài)的粒子。隱形傳態(tài)表明了當(dāng)我們希望發(fā)送量子位元訊息而不是一般的位元訊息時，糾纏粒子可用來作為一個非常有用的通訊源(communication resource)。三種主要實驗方法簡介1.光腔QED方法：光腔QED方法是最早提出的實現(xiàn)CNOT門的方法，它利用的是原子與光腔光子的相互作用。原子的高里德柏能級、光子偏振都可以作為量子位，量子位間的耦合通過原子與光腔作用或光子與

35、光腔作用實現(xiàn)，這種方法的主要問題是很難實現(xiàn)量子們之間的連結(jié)，而且超導(dǎo)光腔需要極低溫，因此這并不是實現(xiàn)量子計算機(jī)的最佳方案。但是光腔QED方法在量子通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，量子遠(yuǎn)程傳輸實驗的成功使量子通信達(dá)到了接近實用的地步，最近又實現(xiàn)了原子的EPR對使量子通信得到了進(jìn)一步的發(fā)展。2.離子阱方法：離子阱方法用束縛在冷阱中離子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級作為量子位，用兩束頻率相差很小的激光誘導(dǎo)拉曼躍遷來控制量子位的狀態(tài)，調(diào)節(jié)激光的作用時間，可以實現(xiàn)對單量子位態(tài)的任意旋轉(zhuǎn)操作，離子通過相互間的庫倫力耦合而成集體震動，不同的振動模式用不同的聲子態(tài)來表示，激光作用時與離子水平振動方向有個夾角，這樣激光的作用能同時影

36、響離子內(nèi)部的能級和外部的集體振動，從而使兩者耦合起來，通過離子的水平集體聲子振動，量子位之間實現(xiàn)了糾纏，離子阱方法的優(yōu)點是可以直接實現(xiàn)多控制位非門(contronl-not)操作而不必用單量子位門和CNOT門去組合。但是由於多個離子規(guī)則排列和多位激光尋址等技術(shù)上的困難，很難實現(xiàn)很多量子位，實驗上做得到的是利用一個離子的內(nèi)部能級和外部振動態(tài)作為兩個量子為實現(xiàn)CNOT門。3.塊體核磁共振方法(Bulk-NMR)：塊體核磁共振方法是利用核自旋在磁場中的塞曼分裂作為量子位，對量子位的操縱由射頻場完成，利用不同的核磁共振頻率，可以對不同的量子位進(jìn)行操作，與前面兩種方法相比Bulk-NMR方法不是基於單原

37、子(光子,離子)的，在這種方法中量子位是分子中原子的核自旋，不同原子的核自旋代表不同的量子位，而量子位的態(tài)是由大量同種分子的統(tǒng)計性質(zhì)來表現(xiàn)，某一個量子位的態(tài)由相應(yīng)原子的核自旋相互作用，這正好可以使量子位間產(chǎn)生耦合，得以實現(xiàn)CNOT門。Bulk-NMR方法的優(yōu)點是利用了大量分子的統(tǒng)計性質(zhì)，因此受外界干擾小，退相干時間長而且實驗可以在室溫下進(jìn)行，目前已經(jīng)實現(xiàn)了2個量子位的計算機(jī)，并實現(xiàn)了最簡單的Deutsch算法18及Grover快速查找算法，它的缺點是不能實現(xiàn)較多量子位，隨著量子位的增多，分子的選擇、量子位的尋址、訊號的讀出都將發(fā)生困難，從目前的發(fā)展來看還做不到6個以上的量子位。三種主要實驗方法

38、比較介紹的三種實驗方法各具特點(見表一)但共同的缺點是無法實現(xiàn)大量量子位，因此它們只能用來進(jìn)行一些元理性的研究，而不能作為建造實用量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。三種實驗方法的比較：1.光腔QED方法：優(yōu)點為理論較為成熟、在量子通信領(lǐng)域有較大的發(fā)展；缺點是量子門之間不易連接、需要低溫條件實驗上做不到很多量子位。2.離子阱方法：優(yōu)點為可以直接實現(xiàn)contro-not門；缺點是易受干擾、需要低溫條件;多量子位有困難。3.核磁共振方法：優(yōu)點為受干擾小實驗可在室溫下進(jìn)行；對於多量子位存在理論上的困難。/color/b綜合以上的研究，人類在20世紀(jì)雖然能夠精確地操控航空飛機(jī)和搬動單個原子，但現(xiàn)在卻仍未能掌控操控量子態(tài)

39、的有效方法。在21世紀(jì)人類正積極致力於量子技術(shù)的開發(fā)，推動科學(xué)和技術(shù)更迅速地發(fā)展，相信未來的某一天中能實現(xiàn)我們期待著。名詞解釋01.貝爾(Bell)態(tài)：兩個物理系統(tǒng)所處的四種方式對應(yīng)的四種不同的具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性質(zhì)的量子態(tài)，古典上要想做到這一點，只存在兩種形式或者兩個系統(tǒng)處於相同的狀態(tài)或者處於不同的狀態(tài)。然而由於量子態(tài)對應(yīng)的概率幅可正可負(fù)，使得可實現(xiàn)狀態(tài)的數(shù)目增加了一倍。02.貝葉斯規(guī)則：一個以兩種不可區(qū)分的途徑發(fā)生的事件，欲求其發(fā)生的概率可以先分別考慮每一條途徑的概率再將其求和。03.位元：二進(jìn)制碼的一個二進(jìn)制數(shù)位。04.不確定性原理：由於不可消除的隨機(jī)性進(jìn)入量子物理而導(dǎo)致的一個基本結(jié)果。不確定性

40、原理暗示著不可能將系統(tǒng)制備到一個使得所有可能的測量結(jié)果都確定的狀態(tài)上。05.CN門：受控非(Controlled-NOT)門、也叫異或門，作用於兩個二進(jìn)制位(位元)。一個位元作為控制位元，另一個作為目標(biāo)位元?？刂莆辉獜牟话l(fā)生變化，但若控制位元為1，則目標(biāo)位元反轉(zhuǎn)(01,或10)。06.超級電腦：1996年12月16號英特爾(Intel)公司與美國能源部(DOE)聯(lián)合，宣布他們新近建成一臺超級電腦。這是第一臺達(dá)到每秒一兆次運(yùn)算的電腦。07.疊加：如果一個系統(tǒng)的一個物理態(tài)可以以多種不同的并且是未知的途徑實現(xiàn)，則此物理系統(tǒng)實際的態(tài)就是這些不同途徑的疊加。對於實現(xiàn)這個物理態(tài)的每一條途徑都對應(yīng)一個不同的

41、概率幅。疊加原理是量子理論的一個基本特徵也是費(fèi)曼規(guī)則的另一種表述形式。08.二進(jìn)制碼：一種表示訊息的編碼系統(tǒng)，在形式上只用0和1兩種符號。09.EPR佯謬：是指A.愛因斯坦、N.羅孫和B.波多爾斯基在1935年發(fā)表的一篇論文。論文的本意是想利用糾纏態(tài)來揭示：如果賦予物理態(tài)以古典解釋的話，量子力學(xué)是不完備的。這是第一篇揭示量子糾纏奇妙性質(zhì)的論文。10.費(fèi)曼規(guī)則：對於一個可以經(jīng)由兩條或更多條不可分辨的途徑發(fā)生的事件，其概率幅等於各條途徑的概率幅之和.在量子力學(xué)中費(fèi)曼規(guī)則取代了古典概率論中的貝葉斯規(guī)則。11.分束器：一種將入射光束分成等強(qiáng)度的反射光束和透射光束的光學(xué)裝置，并且在分束過程中光的總強(qiáng)度不

42、衰減。12.概率幅：量子物理預(yù)示著宇宙帶有不可消除的隨機(jī)性。這一理論使我們得以計算一個給定觀察的概率。然而這些概率在最基本的層次上為概率幅所決定且概率幅不必要是正定的。實際概率可通過對概率幅平方而得到，它必然是一個非負(fù)數(shù)。13.自旋：自旋是一個與物理系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱性相對應(yīng)的物理量。它不能為古典牛頓物理學(xué)所預(yù)言，只是量子世界的一個新特性。在某種情況下，自旋只能取兩個分立的值。14.偏振：在古典物理學(xué)中，光是一種電場和磁場的自激波。在真空中電力垂直於光束的傳播方向。電力所指的方向稱為(光)波的偏振。15.平面偏振：如果一束光的電力方向始終平行於一個固定軸，且垂直於傳播方向則這束光處於平面偏振。16

43、.因子分解：尋找大整數(shù)的質(zhì)數(shù)因子。如果這個數(shù)有許多位這將是一個非常難以求解的問題。但是檢驗因子分解是否正確要比尋找質(zhì)數(shù)因子容易的多。這種單向性質(zhì)使得因子分解成為密碼學(xué)的一個重要工具。17.光子：愛因斯坦通過假定光是以分立的全同波包(即光子)的形式傳遞能量，從而解釋了光電效應(yīng)。光的頻率決定了每個光子的能量。光強(qiáng)決定了光束中光子的數(shù)目。18.糾纏位元(ebit)：一個糾纏位元就是對一個兩系統(tǒng)的量子糾纏態(tài)的一部分做測量，由測量結(jié)果(是,否)所獲得的二進(jìn)制數(shù)。19.量子位元：一次測量如果等可能地產(chǎn)生兩種相飭的結(jié)果，就需要一個位元的訊息來存儲這個結(jié)果。然而在一個量子態(tài)中，兩種互斥結(jié)果可以用兩個概率幅來編

44、碼。在這種情況下這個量子態(tài)就編碼成了一個量子位元，而它在實驗上并不同於一簡單的硬幣投擲。20.量子糾纏：如果一個物理系統(tǒng)由若干個相同的子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)，并且這些關(guān)聯(lián)通過兩種或更多種途徑實現(xiàn)，則這個復(fù)合系統(tǒng)處於一種由不同途徑關(guān)聯(lián)在一起的疊加態(tài)，這個態(tài)被稱為是糾纏的。糾纏是量子物理的關(guān)鍵特徵，這使得量子計算比古典計算強(qiáng)大的多。糾纏所導(dǎo)致的物理影響仍然沒有完全弄清楚。21.量子理論：量子理論指出物理世界是不可約地隨機(jī)的。即是說對於一個物理態(tài)無論我們對其了解的如何詳盡，都無法使得對這個態(tài)的所有可能的測量都具有確定的結(jié)果。并且測量結(jié)果的怪異性質(zhì)不能由通常的概率規(guī)則給出，必須基於概率幅的概率

45、計算。 2007/9/14 被 HYPERLINK /members/u747515 g950g950 最后編輯 | HYPERLINK /groups/g950g950/posthistory/307740 t _blank 查看全部 HYPERLINK /members/u747515/ g950g950 (組長) 2007/9/11 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic l post307742 3樓 HYPERLINK /groups/tousu/topics/new 舉報 用脈沖光加速量子電腦量子電腦現(xiàn)在又離我們更進(jìn)一步羅！密西根大學(xué)的研究員

46、們發(fā)現(xiàn)了一個新的方法來操作量子位：藉由現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)的光通訊技術(shù)，他們可以使用脈沖光來控制量子位，并藉此加速量子電腦的運(yùn)作速度。剩下的像幾秒鐘就可以破解一般電腦算到死的密碼啦、同時多重運(yùn)算啦的優(yōu)點我們就省略了。加油吧！科學(xué)家們，前進(jìn)吧！黑客們！密西根大學(xué)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種在密碼術(shù)方面輕的突破性的利用的方法。這種新技術(shù)能在微微秒破解復(fù)雜的代碼問題?？茖W(xué)家相信如果利用這種技術(shù)在當(dāng)今的解決辦法上、提供很多改進(jìn)會造成國家和個人安全威脅。 過程與相干光的極其短的脈搏有關(guān)、被發(fā)出并且與東西相互作用的量子小圓點。量子小圓點是神秘的科學(xué)絨毛對大多數(shù)人來說他們是很難理解的：基本上他們是對零敏感且非常小的結(jié)構(gòu)。在調(diào)

47、整頻率和移相光在一個更多的復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)時，梁本身形成一種光網(wǎng)絡(luò)有計算能力、它經(jīng)過量子小圓點。 當(dāng)最后的創(chuàng)立學(xué)說的設(shè)備被建造，潛在需要數(shù)千個量子小圓點(精確的數(shù)目現(xiàn)在是科學(xué)辯論的問題)時,輕的梁本身將被相當(dāng)于一個疑問譯成代碼。這有點象是factorization號碼或者數(shù)列對查找。那時送對全部可能的答案到被計算的量子小圓點。答案然后立即讀在遠(yuǎn)的邊上。通過編碼順序在以這種方法的排序之后，甚至極其復(fù)雜的問題，今天使用古典超級電腦可能要花費(fèi)許多年才能解決的答案，可以被在幾微微秒鐘內(nèi)計算完畢。這種特別的方法的一個優(yōu)點是他是用非常廉價的二極管激光用來作光源。可持續(xù)超頻的熱量比率大約是：一個1000 GHz處

48、理器所產(chǎn)生的熱量相當(dāng)於在1.4 GHz處理器下操作的頻率所產(chǎn)生的熱量。使用這項技術(shù)的將來的設(shè)備可能由于極其低的熱能生產(chǎn)被用來作為3維陣列來建立。只有一個單個的光子被要求做光門(qubit)接通。用來接通光門(qubit)的能量是10-18焦耳。換句話說：在1 GHz 操作只需要一瓦特的1 billionth。在這個地區(qū)的研究的一條競爭的線接近來自被困住的離子(朱蕉) 在大的真空里操作，相信雖然它的計算能力是比用這種方法低的幾項重要的命令，但是離子(朱蕉) 將對于最初成功證明是更可能。是這個解決辦法的結(jié)果的最后的產(chǎn)品有作為核心的技術(shù)的等價物2種雙或者Opterons的能力作為，與ENIAC相比他

49、們有更多的資金在這間實驗室里工作。 研究人員目前正著手做這項技術(shù)的將來的用途。這些包括穿的量小圓點說明激光，光學(xué)調(diào)制器和量邏輯設(shè)備將作為可行的將來的量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。國家安全代理(NSA)提供資金給這項工程、軍隊研究室，科學(xué)研究的空軍辦公室和海軍研究實驗室。適合這那些研究工程被因為鄧肯鋼和3位高級研究人員以及十位大學(xué)生來進(jìn)行實驗。調(diào)查研究工作被展開并且分布在不同的場所。圣地亞哥大學(xué)處理理論。海軍研究實驗室處理量子小圓點物理學(xué)。并且密西根大學(xué)著手做計算部分。大家的共同努力將繼續(xù)在實際應(yīng)用里使用的量子小圓點的數(shù)量直到被發(fā)現(xiàn)成功為止，美國在這項工程提供資金方面大約每年花費(fèi)800，000美金。 200

50、7/9/14 被 HYPERLINK /members/u747515 g950g950 最后編輯 | HYPERLINK /groups/g950g950/posthistory/307742 t _blank 查看全部 HYPERLINK /members/u747515/ g950g950 (組長) 2007/9/11 HYPERLINK /groups/g950g950/188263.topic l post307745 4樓 HYPERLINK /groups/tousu/topics/new 舉報 光算機(jī)（optical computer）利用光線而不用電流的計算器可以每秒處理一兆

51、次運(yùn)算，關(guān)鍵部分模擬電晶體的光學(xué)設(shè)計已經(jīng)完成。過去四十年來，數(shù)位計算器的發(fā)展是如此緊密地與電子技術(shù)關(guān)連在一起，以致于人們認(rèn)為計算器必然是電子元件組合而成。事實上，計算器用來執(zhí)行任務(wù)的算術(shù)及邏輯運(yùn)算也可用許多其他的方法來達(dá)成。自1970年代中期，以鐳射光束來代替電流傳遞信號的可能性日趨厚厚。能夠比電子計算器快一千倍是開發(fā)這種光算機(jī)強(qiáng)而有力的誘因。能夠傳遞兩種不同狀態(tài)的開閉元件（switch）是任何數(shù)位計算器的基本元件。計算器運(yùn)算的速度受限制于開閉元件改變狀態(tài)所需的時間。事實上電子計算器所有的開閉元件都是電晶體，而現(xiàn)在所用的電晶體最快的也無法在快于10-9秒內(nèi)改變狀態(tài)。而一個模擬電晶體功用的光學(xué)設(shè)

52、計卻能在10-12秒內(nèi)改變狀態(tài)。我們曾發(fā)展出實驗性質(zhì)的光晶體（optiual transistor），那是用入射鐳射光束的微小改變來決定元件的開或閉。這光學(xué)電晶體我們稱之為轉(zhuǎn)相器（transphasor），是利用某些晶體的特殊性質(zhì)：當(dāng)光強(qiáng)度增加時折射率會改變。藉著正確地選擇晶體及鐳射波長，利用折射率的改變，透射光強(qiáng)度會因入射光的微小改變而有巨大改變的元件可以被制造出來。實驗性的設(shè)計曾達(dá)到狀態(tài)交換的時間為幾個10-12秒。 光晶體固然可以用來建造原理與目前電子計算器相同但較快速的計算器，而在較遠(yuǎn)的將來它可能會改變計算器本身的結(jié)構(gòu)。每一個單獨的光晶體能夠同時做許多個開閉工作，而電子元件一次只能處理

53、一個信號。更有甚者，隨著入射光束的逐漸增加，這種晶體的輸出可以被轉(zhuǎn)換至更多高階的狀態(tài)。相較之下，用在電子計算器的電晶體只有兩種輸出狀態(tài)。這種超過兩個輸出狀態(tài)之設(shè)計的采用，將會導(dǎo)至一個新的計算器邏輯系統(tǒng)的產(chǎn)生。除了光晶體外，建造光算機(jī)還需要許多線路元件。在Heriot-Watt大學(xué)的實驗室，我們曾以試驗的形式證明許多需要的元件可制成光學(xué)積體線路。這樣的積體電線路在被商業(yè)化制造之前，尚需克服若干技術(shù)上的困難?？梢灶A(yù)見，在很短的時間內(nèi)，光算機(jī)將成為很具吸引力的發(fā)展園地。開閉元件的作用在一般的應(yīng)用上，計算器的三種基本功能是算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及資料的存貯。這些全都是由含有兩個穩(wěn)定輸出狀態(tài)的元件所達(dá)成。在

54、算術(shù)運(yùn)算中，這兩個狀態(tài)代表二進(jìn)位系統(tǒng)的0和1。在判斷邏輯的命題時，各代表真與偽。算術(shù)與邏輯運(yùn)算的結(jié)果是存貯在特定的記憶元件中（記憶元件的狀態(tài)保留原結(jié)果的狀態(tài)）。用二進(jìn)位系統(tǒng)，一計算器用來判斷命題真?zhèn)?，只用三個邏輯函數(shù)。它們經(jīng)常被稱為及函數(shù)（AND）、或函數(shù)（OR）和反函數(shù)（NOT）。在及函數(shù)，一個敘述所有的部分為真時，敘述方為真。在或函數(shù)，只要敘述中任何一個部分為真，敘述便為真。在反函數(shù)中，一個敘述的真假值被掉換。更復(fù)雜的運(yùn)算例如加減法運(yùn)算，都能用這三個基本函數(shù)建構(gòu)起來。一個計算器必須具備能以物理形式來代表0與1或真與偽的元件，且這些元件要能夠組成執(zhí)行三個邏輯函數(shù)的較大零件。這些元件顯然要有兩

55、個能夠容易分辨的輸出（兩個狀態(tài)）。如果計算器要快，則狀態(tài)交換的時間要短。再考慮其他因素，一個最好的開閉元件應(yīng)是體積最小、最易于制造、且消耗最小功率。第一個實用的電子開閉元件是真空管，慢而且大，產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒崃?，影響使用壽命。所以用真空管做成的計算器，體積大而計算能力小。1947 年發(fā)明的電晶體，提供了較小、較快、較有效率的開閉元件。它最簡單的形式是三層半導(dǎo)體。最外面兩層分別叫射極、集極，中層叫基極。當(dāng)自基極流入集極的電流有微小改變時，導(dǎo)致射極流入集極電流大的改變。集極的大電流可用以代表1而小電流代表0。與其他電子元件配合，能組成執(zhí)行及、或及反函數(shù)的結(jié)構(gòu)，稱為邏輯閘。如果所有的輸入都是大電流，及閘

56、才輸出大電流。只要有一輸入是大電流，或閘便輸出大電流。輸入大電流，反閘輸出小電流；輸入小電流，反閘輸出大電流。電晶體的極限半導(dǎo)體邏輯閘操作所需時間自10-910-6秒，視其大小、材料、設(shè)計、狀態(tài)交換功率而定。理論上最快能在每一秒內(nèi)做十億次運(yùn)算。實際上的速度則遠(yuǎn)比這要慢許多。以物理學(xué)做基本分析，目前所能達(dá)到的最短交換時間，已接近半導(dǎo)體所能達(dá)到的極限了。要完成交換作用，電流必須穿越基極。電流通過半導(dǎo)體的速度有著許多限制。減小基極的寬度可以減少交換的時間，但基極能做到多薄是有限的。目前這極限已經(jīng)達(dá)到了，因此交換時間顯著的降低，將不會來自電晶體設(shè)計上的微小改變，而將來自新的交換技術(shù)。一個改變的可能性是

57、以其他的媒體取代電流來攜帶信號。任何信號所能達(dá)到的最高速度是光速，故光或電磁波是最合適的候選者。我們已利用聚集的鐳射光束來操作具有許多電晶體功能的開閉元件。這個設(shè)計可在兩個明顯的輸出狀態(tài)間交換。它們可以做成記憶元件，藉著適當(dāng)?shù)倪x擇材料及鐳射光束，可以組成快速、簡單的邏輯閘。干涉計光晶體的起點是精巧而廣泛應(yīng)用的法布立-拍若干涉計（interferometer）由法國物理學(xué)家法布立（C. Fabry）及拍若（A. Perot）于1896年所發(fā)明。最簡單的干涉計是由兩面鏡子，隔一距離平行排列，再將能使某特定波長的光能透射的材料置于兩鏡間的空隙而成。此一空隙被稱為洞（cavity）。每一面鏡都可使部分

58、光線反射，部分光線透射。現(xiàn)在暫且不管洞的材料，而考慮一束光撞擊到干涉計第一面鏡時的情形。我們假設(shè)此鏡反射90的入射光，而讓 10的入射光通過。（這樣的比例相當(dāng)接近于我們所真正使用的。）現(xiàn)在透射過的部分以原來1/10的強(qiáng)度進(jìn)入干涉計內(nèi)部，稱為前進(jìn)光束，進(jìn)行至后一面鏡子。后鏡與前鏡的性質(zhì)是一樣的。在后鏡90的前進(jìn)光束被反射回洞中，成為反轉(zhuǎn)光束，有10透射到干涉器外（見圖一）。由于前進(jìn)光束是原入射光束的1/10，故透射到后鏡外的光強(qiáng)度是原入射光束的1/100。這反轉(zhuǎn)光束又回到前鏡，再被分成反射及透射光束，余留在洞中的光一直不斷的反射、透射著，越來越微弱，直到所有的光都逸出洞外為止見圖二(a)。洞中的

59、干涉如果上面所提的就是所有有關(guān)干涉計的事實，則干涉計對光學(xué)計算器并無所助益，它的透射強(qiáng)度只能由改變鏡片的性質(zhì)來改變。但事實上，前進(jìn)光束及反轉(zhuǎn)光束并不能像(圖二 a )所畫的一般，彼此能清楚的分開。在真正的干涉計中，它們彼此互相作用，影響洞中的光強(qiáng)度，也影響透射率。如果入射光垂直進(jìn)入前鏡，則光將不會折曲，所有的光將在同一路徑上。洞中有許多被前、后鏡反射回洞的光束，現(xiàn)在我們只考慮其中兩條：前進(jìn)光束及反轉(zhuǎn)光束的交互作用。干涉的結(jié)果由彼此的相位差來決定。波峰對波峰、波谷對波谷的重疊是建設(shè)性干涉，波峰對波谷的重疊是破壞性干涉，自然在那兩極端之間的相位差也是可能的。合成光波在洞中任一點的振幅是所有成分光波

60、在該點振幅的總和。干涉對透射的影響是林林總總而非單純的。如果是完全破壞性干涉，洞中的光強(qiáng)度將為零(見圖二 b )。如果是完全建設(shè)性干涉，則洞中光強(qiáng)度將十倍于入射光。既然后鏡透射1/10的光，在完全建設(shè)性干涉中透射光強(qiáng)度將等于入射光強(qiáng)度(見圖二 c )。折射率的效應(yīng)相位差及透射率可由調(diào)整波長及洞的長度來改變，但兩種方法對光學(xué)電晶體均無甚價值。最重要的是，相位差也可用改變洞中材料的光學(xué)性質(zhì)來改變，這是到目前為止我們一直沒提到的。折射現(xiàn)象是大家所熟悉的。折射起因于光在不同介質(zhì)中有不同速率，折射率就是光在真空中速率對光在介質(zhì)中速率的比值。在介質(zhì)中，隨著波長變短而速度變慢，頻率并不改變。藉著材料折射率的