1、量子計算的發(fā)展摘要：量子計算是量子力學的新進展,它是一種和傳統(tǒng)的計算方式迥然不同的新型計算.其概念是全新的,它將使計算技術(shù)進入一種前所未有的新境界。對于某些問題,量子計算機可以達到常規(guī)計算機不能達到的解題速度.量子計算機可以解決常規(guī)計算機不能解決的某些問題量子計算由于其強大的并行計算能力和可以有效的模擬量子行為的能力而日益受到人們的關(guān)注。本文介紹了量子計算的含義及其基本原理，以及對于未來量子計算的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：量子計算；量子計算機；量子位目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc437712542 引言 PAGEREF _Toc437712542 h 1 HY

2、PERLINK l _Toc437712543 1基本概念 PAGEREF _Toc437712543 h 1 HYPERLINK l _Toc437712544 1.1量子計算 PAGEREF _Toc437712544 h 2 HYPERLINK l _Toc437712545 1.2量子計算機 PAGEREF _Toc437712545 h 2 HYPERLINK l _Toc437712546 1.3量子位 PAGEREF _Toc437712546 h 3 HYPERLINK l _Toc437712547 2.量子計算的原理 PAGEREF _Toc437712547 h 3 HY

3、PERLINK l _Toc437712548 2.1量子疊加性 PAGEREF _Toc437712548 h 3 HYPERLINK l _Toc437712549 2.2 量子糾纏 PAGEREF _Toc437712549 h 4 HYPERLINK l _Toc437712550 3.量子計算的發(fā)展 PAGEREF _Toc437712550 h 5 HYPERLINK l _Toc437712551 3.1中期發(fā)展 PAGEREF _Toc437712551 h 5 HYPERLINK l _Toc437712552 3.2發(fā)展前景 PAGEREF _Toc437712552 h

4、5量子計算的發(fā)展引言自MaxPlanck在1900年提出量子假說以來,量子力學給人類生活帶來翻天覆地的變化,改變了經(jīng)典物理學對世界的認知方式。量子計算和量子計算機概念起源于著名物理學家Feynman，是他在1982年研究用經(jīng)典計算機模擬量子力學系統(tǒng)時提出的。1985年Deutsch提出第一個量子計算模型即圖靈機，量子計算才開始具備了數(shù)學的基本型式。由此,量子計算迅速吸引了全世界研究者的注意并成為一門具有巨大潛力的新學科。1. 基本概念1.1量子計算量子計算是應用量子力學原理來進行有效計算的新穎計算模式,它利用量子疊加性、糾纏性和量子的相干性實現(xiàn)量子的并行計算。量子計算從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的計算理

5、念。1.2.量子計算機量子計算機是實現(xiàn)量子計算的機器。作為其核心器件的量子計算機是個由許許多多量子處理器構(gòu)成的多體量子體系,每個量子處理器是個兩態(tài)量子系統(tǒng)?；诹孔盈B加性原理,采用合適量子算法可以加快某些函數(shù)的運算速度,如Shor量子并行算法可以將“大數(shù)因子分解”這個電子計算機上指數(shù)復雜度的難題變成多項復雜度的“易解”問題,從而可攻破現(xiàn)有廣泛使用的公鑰RSA等體系。由于量子計算機依賴于量子力學規(guī)律處理信息，所以它有著經(jīng)典計算機永遠不可逾越的巨大優(yōu)勢。量子計算機不但可以提供更多的比特以及更高的時鐘速度，它還提供了一種基于量子原理的算法的全新計算方法。量子計算機要實現(xiàn)量子計算需滿足以下的要求：1.

6、量子比特要有足夠長的相干時間。事實上,外部環(huán)境不可避免地破壞著量子計算機的量子相干性,使之自發(fā)地向經(jīng)典的概率計算機演化,這將導致量子計算失去其可靠性,甚至完全無法運作。2.具備有完備的普適幺正操作能力。任何高維幺正操作均可分解成一系列低維操作來實現(xiàn),最基本的幺正操作單元稱為普適門。最簡單的普適邏輯門的集合是單比特的任意幺正旋轉(zhuǎn)和兩比特的受控非操作。量子計算機應能對任意量子比特精確地實施這些基本操作。3.具備有初態(tài)制備能力。因為任何量子計算的出發(fā)點都是從純態(tài)開始,所以,我們要有給量子計算機歸零的能力。不失一般性,在計算開始時,我們讓所有的邏輯量子比特都置為|0。4.必須有能力對量子計算機終態(tài)實施

7、有效的量子測量,以提取最終輸出值。這時,量子的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典的信息,因為人是生活在經(jīng)典世界中的,而量子計算的最終目的是服務于經(jīng)典世界中的人。量子操作的性質(zhì)：作為量子系統(tǒng),量子計算機將在系統(tǒng)哈密頓量支配下按照薛定諤方程演化。為執(zhí)行量子計算,必須要能精確地控制系統(tǒng)的哈密頓量,以完成普適完備幺正操作中的任一種操作。1.3量子位量子位是量子計算的理論基石。在常規(guī)計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處于“0”態(tài)就是處于“1” 態(tài). 在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處于“0”態(tài)或“1”態(tài)外，還可處于疊加態(tài)。疊加態(tài)是“0” 態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“0” 態(tài)又可

8、以是“1”態(tài)，“0”態(tài)和“1”態(tài)各以一定的概率同時存在. 通過測量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“0”態(tài)或“1”態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)、質(zhì)子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。2.量子計算的原理 量子算法的核心就是利用量子計算機的這些特性來加速求解的速度,來達到經(jīng)典計算機不可比擬的運算速度和信息處理功能。2.1量子疊加性量子線性疊加原理是指任一量子系統(tǒng)都可以表示為描述量子系統(tǒng)不同狀態(tài)(量子態(tài))的線性組合，表現(xiàn)為如果輸入是多個可能輸入狀態(tài)的線性組合時，輸出態(tài)也將是所有輸入態(tài)對應輸出態(tài)的線性組合

9、。這是量子物理最基本，最顯著的原理，也是量子并行計算的核心。相對于經(jīng)典計算機而言，量子計算機最重要的優(yōu)越性體現(xiàn)在量子并行計算上。因為可對計算問題并行處理，在計算某些問題時，量子計算機比起經(jīng)典計算機有速度上的優(yōu)勢。例如，一個2位經(jīng)典寄存器可以編碼22個不同的數(shù)字： 00，0l，10，11。但每一時刻只能存儲其中的一個。而一個2位的量子寄存器利用量子疊加效應，在一個給定的時刻可以同時存儲個數(shù)字，且一個量子態(tài)可以代表所有存儲的數(shù)字。3個量子位存儲器可以同時存儲個不同數(shù)字，依次類推，對于n位的量子存儲器而言，它可以同時存儲個不同的數(shù)字(態(tài))，在量子力學中，對n個量子位的寄存器的一般態(tài)可表示為。在此態(tài)中

10、，量子寄存器同時具有種可能的值，也就是說，我們對其進行一次操作，就相當于對經(jīng)典計算機的次操作。這種計算效果就是所謂的量子并行計算。因此，用量子態(tài)代替經(jīng)典態(tài)的量子并行計算，可以達到經(jīng)典計算機不可比擬的運算速度和信息處理功能。意即量子計算機可以節(jié)省大量的運算資源。量子態(tài)具有不可克隆性,而且量子疊加態(tài)在測量時出現(xiàn)坍縮,如果將這些特性用于通信,則可完全避免竊聽.所以,量子信息技術(shù)非常適合于保密通信77, 78.已經(jīng)通過光纖實現(xiàn)了48公里的密碼通信.2.2 量子糾纏所謂“糾纏態(tài)”，是指復合系統(tǒng)的一種特殊形式的量子態(tài)，它在任何表象中，都無法寫成兩子系量子態(tài)的直積形式。因為糾纏態(tài)的每一分量均由兩個粒子的單態(tài)

11、和構(gòu)成，所以處于糾纏態(tài)的兩個粒子有一個奇妙特性。一旦我們對其中一個粒子進行測量，確定了它的狀態(tài)，那么，就立即知道另一個粒子所處的狀態(tài)，不管它們相距多遠(幾米、幾千米或幾光年)。比如，對處于態(tài) 的兩原子系統(tǒng)，若對原子1進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它處于態(tài)，則馬上知道原子2處于態(tài)。量子糾纏是一種有用的信息“資源”，在量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼、量子密鑰分配以及在量子計算的加速、量子糾錯、防錯等方面都起著關(guān)鍵作用。量子計算的發(fā)展3.1中期發(fā)展1994年，貝爾實驗室的應用數(shù)學家P. Shor指出，相對于傳統(tǒng)電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內(nèi)將一個很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個結(jié)論開啟量子計算的一個新

12、階段:有別于傳統(tǒng)計算法則的量子算法確實有其實用性。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點名做為量子計算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振、空腔量子電動力學、離子阱以及核磁共振等等。3.2發(fā)展前景量子計算發(fā)揮作用的前提是量子計算的物理實現(xiàn),即量子計算機的構(gòu)建。雖然量子計算機的實現(xiàn)原則上已沒有不可逾越的障礙,但技術(shù)上的實現(xiàn)卻遇到嚴重的困難。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,但在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。此外,量子的糾纏狀態(tài)也很容易崩潰,且粒子數(shù)目越多,實現(xiàn)糾纏狀態(tài)就越困難。要制造出實用的量子計算機,就必須使更多的粒子實現(xiàn)糾纏狀態(tài)。在目前量子計算機還未進入實際應用的情況下,量子計算的研究重點包括:計算的物理實現(xiàn)：提高量子體系中相干操控的能力,實現(xiàn)更多的量子糾纏狀態(tài)；研究新的量子算法：目前還有很