量子计算的发展

量子计算的发展摘要：量子计算是量子力学的新进展,它是一种和传统的计算方式迥然不同的新型计算.其概念是全新的,它将使计算技术进入一种前所未有的新境界。对于某些问题,量子计算机可以达到常规计算机不能达到的解题速度.量子计算机可以解决常规计算机不能解决的某些问题量子计算由于其强大的并行计算能力和可以有效的模拟量子行为的能力而日益受到人们的关注。本文介绍了量子计算的含义及其基本原理，以及对于未来量子计算的发展前景。关键词：量子计算；量子计算机；量子位目录引言...............................................................................................................................31基本概念....................................................................................................................31.1量子计算.........................................................................................................31.2量子计算机.....................................................................................................31.3量子位..............................................................................................................42.量子计算的原理........................................................................................................52.1量子叠加性......................................................................................................52.2量子纠缠.........................................................................................................63.量子计算的发展......................................................................................................63.1中期发展..........................................................................................................63.2发展前景.........................................................................................................6量子计算的发展引言自MaxPlanck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。1985年Deutsch提出第一个量子计算模型即图灵机，量子计算才开始具备了数学的基本型式。由此,量子计算迅速吸引了全世界研究者的注意并成为一门具有巨大潜力的新学科。1.基本概念1.1量子计算量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式,它利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算。量子计算从本质上改变了传统的计算理念。1.2.量子计算机量子计算机是实现量子计算的机器。作为其核心器件的量子计算机是个由许许多多量子处理器构成的多体量子体系,每个量子处理器是个两态量子系统。基于量子叠加性原理,采用合适量子算法可以加快某些函数的运算速度,如Shor量子并行算法可以将“大数因子分解”这个电子计算机上指数复杂度的难题变成多项复杂度的“易解”问题,从而可攻破现有广泛使用的公钥RSA等体系。由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势。量子计算机不但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法。量子计算机要实现量子计算需满足以下的要求：1.量子比特要有足够长的相干时间。事实上,外部环境不可避免地破坏着量子计算机的量子相干性,使之自发地向经典的概率计算机演化,这将导致量子计算失去其可靠性,甚至完全无法运作。2.具备有完备的普适幺正操作能力。任何高维幺正操作均可分解成一系列低维操作来实现,最基本的幺正操作单元称为普适门。最简单的普适逻辑门的集合是单比特的任意幺正旋转和两比特的受控非操作。量子计算机应能对任意量子比特精确地实施这些基本操作。3.具备有初态制备能力。因为任何量子计算的出发点都是从纯态开始,所以,我们要有给量子计算机归零的能力。不失一般性,在计算开始时,我们让所有的逻辑量子比特都置为|0〉。4.必须有能力对量子计算机终态实施有效的量子测量,以提取最终输出值。这时,量子的信息转变为经典的信息,因为人是生活在经典世界中的,而量子计算的最终目的是服务于经典世界中的人。量子操作的性质：作为量子系统,量子计算机将在系统哈密顿量支配下按照薛定谔方程演化。为执行量子计算,必须要能精确地控制系统的哈密顿量,以完成普适完备幺正操作中的任一种操作。1.3量子位量子位是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元用二进制的1个位来表示，它不是处于“0”态就是处于“1”态.在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于“0”态或“1”态外，还可处于叠加态。叠加态是“0”态和“1”态的任意线性叠加，它既可以是“0”态又可以是“1”态，“0”态和“1”态各以一定的概率同时存在.通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“0”态或“1”态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态和第一激发态、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。2.量子计算的原理量子算法的核心就是利用量子计算机的这些特性来加速求解的速度,来达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。2.1量子叠加性量子线性叠加原理是指任一量子系统都可以表示为描述量子系统不同状态(量子态)的线性组合，表现为如果输入是多个可能输入状态的线性组合时，输出态也将是所有输入态对应输出态的线性组合。这是量子物理最基本，最显著的原理，也是量子并行计算的核心。相对于经典计算机而言，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。因为可对计算问题并行处理，在计算某些问题时，量子计算机比起经典计算机有速度上的优势。例如，一个2位经典寄存器可以编码22个不同的数字：00，0l，10，11。但每一时刻只能存储其中的一个。而一个2位的量子寄存器利用量子叠加效应，在一个给定的时刻可以同时存储2n个数字，且一个量子态可以代表所有存储的数字。3个量子位存储器可以同时存储32个不同数字，依次类推，对于n位的量子存储器而言，它可以同时存储2n个不同的数字(态)，在量子力学中，对n个量子位的寄存器的一般态可表示为210nnxcx。在此态中，量子寄存器同时具有2n种可能的值，也就是说，我们对其进行一次操作，就相当于对经典计算机的2n次操作。这种计算效果就是所谓的量子并行计算。因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。意即量子计算机可以节省大量的运算资源。量子态具有不可克隆性,而且量子叠加态在测量时出现坍缩,如果将这些特性用于通信,则可完全避免窃听.所以,量子信息技术非常适合于保密通信[77,78].已经通过光纤实现了48公里的密码通信.2.2量子纠缠所谓“纠缠态”，是指复合系统的一种特殊形式的量子态，它在任何表象中，都无法写成两子系量子态的直积形式。因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态0和1构成，所以处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙特性。一旦我们对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态，那么，就立即知道另一个粒子所处的状态，不管它们相距多远(几米、几千米或几光年)。比如，对处于态的两原子系统，若对原子1进行测量，结果发现它处于0态，则马上知道原子2处于1态。量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用。3.量子计算的发展3.1中期发展1994年，贝尔实验室的应用数学家P.Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法确实有其实用性。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振、空腔量子电动力学、离子阱以及核磁共振等等。3.2发展前景量子计算发挥作用的前提是量子计算的物理实现,即量子计算机的构建。虽然量子计算机的实现原则上已没有不可逾越的障碍,但技术上的实现却遇到严重的困难。无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性,但在实际系统中量子相干性很难保持。此外,量子的纠缠状态也很容易崩溃,且粒子数目越多,实现纠缠状态就越困难。要制造出实用的量子计算机,就必须使更多的粒子实现纠缠状态。在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下,量子计算的研究重点包括:计算的物理实现：提高量子体系中相干操控的能力,实现更多的量子纠缠状态；研究新的量子算法：目前还有很多经典算法无法解决的难题,研究新的能解决这些难题的量子算法是一个重要方向；增强现有量子算法的实用性和扩展现有量子算法的应用范围。目前摆在科学工作者面前的主要任务是提高在具有可扩展的量子体系当中相干操控的能力。参考文献：［1］夏培肃.量子计算［J］.计算机研究与发展,2001,38(10),1167-1168.［2］周正威,黄运锋,张永生等.量子计算的研究进展,2005,25(4),370-371.