量子计算机与经典计算机的比较

电脑应用技术二零零八年总第七十三期26量子计算机与经典计算机的比较∗莫露洁颜源湛江教育学院计算机科学系，广东湛江，524037摘要：本文分析了经典计算机和量子计算机的异同；介绍了量子计算机的原理和特点，指出量子计算和量子信息技术在并行计算、保密通信等方面的重要应用。关键词：量子计算机经典计算机量子位TheComparewithClassicalandQuantumComputerMoLujie，YanYuanDepartmentofComputerScience,ZhanjiangEducationCollege，Guangdong，China，524037Abstract：Thispaperanalysisthedifferenceandthesamenessbetweenquantumandclassicalcomputer.Introducestheprincipleofquantumcomputation.Andexpoundstheapplicationsofquantumcomputationtechnologiesinparallelalgorithmandsecretcommunication.Keywords：quantumcomputer;classicalcomputer;qubit1引言人类跨入了21世纪，信息科学面临着新的挑战。计算机是否存在极限的运算速度?能否实现不可破译、不可窃听的保密通信?诸如此类的问题成为科学家们关注的重要课题。创建新一代高性能的、安全的计算工具和通信技术当前研究的热点。近年的研究进展表明，应用量子信息的产生、载荷、传播和处理，可能构造高性能的量子计算机。其具备的量子特性在信息领域中有着独特的功能,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限。本文通过分析经典计算机和量子计算机的异同，简述量子计算机的特点与应用。2经典计算机的特点迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论作者简介:莫露洁,生于1980年10月，女，籍贯广西，大学本科学历，学士学位。目前在广东湛江教育学院计算机系任教，职称为助教，同时在职攻读重庆大学计算机专业硕士学位，研究方向是网络与智能信息处理。电脑应用技术二零零八总第七十三期27基础，称为传统计算机或经典计算机。经典信息系统采用物理上昀容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，称为一个位或比特(bit)，作为昀小的信息单元。经典计算机也就是目前广泛应用的冯·诺依曼型计算机。其特点是：1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；2、采用存储程序的方式程序和数据放在同一个存储器中。指令和数据以二进制码表示，可以送到运算器运算；3、机器以运算器为中心，输入和输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。由于计算机技术的发展和新应用领域的开拓，对冯·诺依曼型机作了很多改革，如某些机器程序与数据分布在不同的存储器中，机器可以不再以运算器为中心、而是以存储器为中心等等，但原则上没有太大的变化。经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点：一是计算过程能耗的昀基本限制。逻辑元件或存储单元所需的昀低能量应在kT的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作；二是信息熵与发热能耗；三是计算机芯片的布线密度很大时，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚，会有量子干涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的功能。3量子计算机的原理和特点从物理的观点看，计算机是一个物理系统，计算则是这个系统演化的物理过程。在经典计算机中,每一个数据位要么是0,要么是1,二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是,量子位（qubit）可以是0或者1，也可以同时是0和l。对量子位操作一次，相当于对经典位操作两次。这是量子计算的一个优点。为了达到量子计算的目的，量子比特分别用两个量子态及本征态|0〉和|1〉来表示，然后与经典位0和1对应进行编码。量子比特可以存在这样的状态，既非|0〉也非|1〉，它能以两个逻辑态的叠加态的形式存在。在量子计算机中，我们无法准确测定量子比特处于哪一个量子态。量子力学告诉我们，只能获得这个量子比特越来越多的信息，并且这个量子比特的状态可以介于|0〉和|1〉之间的任何量子态上，但无法完全确定其状态。即量子计算包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为[1]：(1)量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；(2)量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充。从另一个角度讲,在经典计算机里,一个二进制位只能存储一个数据,n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数；而在量子计算机里,一个量子位可以存储两个数据，n个量子位可以同时存储2n个数据,从而大大提高了存储能力。4量子计算机的优势综上所述，量子计算机是一类遵循物理系统的量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑计算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备处理和计算的是量子信息，运行的电脑应用技术二零零八年总第七十三期28是量子算法时，它就是量子计算机。在计算机的器件尺度方面，经典计算机要达到体积小、容量大和速度快的要求受到限制。686计算机的CPU的硅芯片的集成电路的线宽为0.35μm，要将处理能力提高1倍，相当于要将线宽缩小一半。这样，每前进一步，要花比过去大得多的代价。而且，当集成电路的线宽小于0.1μm时，量子效应显得很重要。量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。它以原子量子态作为记忆单元、开关电路和信息储存形式，组成量子计算机硬件的各种元件达到原于级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。对计算问题并行处理，量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。与经典计算机相比，量子计算机昀重要的优越性体现在量子并行计算上。我们已经知道，量子计算昀本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。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，同时节省了大量的运算资源。5量子计算机的应用研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。如前所述，与经典计算机相比，量子计算机昀重要的优越性体现在量子并行计算上。量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作也是经典计算机无法胜任的。目前，研究人员正在加快步伐制造量子计算机。如果一台实际的量子计算机研制成功并投入应用，计算机的应用得到全新的改变。首先，原子改变能量状态极快——比现在昀快的计算机处理器（CPU）都要快得多。其次，考虑到问题的类型，每个qubit能代替一个完备的处理器——这意味着1000个钡离子能代替一个有1000个处理器的计算机。另一方面，大规模的加密术是量子计算的很好思路，另外，大规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。业已证明，量子计算机可以攻破现在广泛使用的公开密钥RSA体系，量子密码原则上可提供不可窃听、不可破译的保密通信，量子通信网络具有安全、多端计算等优点，预计量子信息技术在本世纪将发挥重要作用。参考文献[1]S.Lloyd，Science261,1569，1995.[2]D.Deutsch，Proc.R.Soc.LondonA,425,73，1999.[3]D.Deutsch，Proc.R.Soc.LondonA，449，1999.[4]张镇九等,量子计算中的因子分解,《物理》,2000，第9期.[5]苏晓琴,郭光灿，量子通信与量子计算[J]，量子电子学报,2004.[6]周熠,高峰，量子计算机研究进展，衡阳师范学院学报，2006，第6期.