量子計算的發(fā)展

1、量子計算的開展摘要：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，量子計算機可以到達常規(guī)計算機不能到達的解題速度 .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注。 本文介紹了量子計算的含義與 其根本原理，以與對于未來量子計算的開展前景。關鍵詞：量子計算；量子計算機；量子位目錄引言31根本概念31. 1量子計算31.2量子計算機31.3量子位42. 量子計算的原理52.1量子疊加性52.2量子糾纏63. 量子計算

2、的開展63.1中期開展63.2開展前景6量子計算的開展引言自MaxPlanek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學的根本型式。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. 根本概念1. 1量子計算量子計算是應用量子力學原理來進展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)

3、量子的并行計算。量子計算從本質上改變了 傳統(tǒng)的計算理念。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)?；?于量子疊加性原理，采用適宜量子算法可以加快某些函數的運算速度，如Shor量 子并行算法可以將“大數因子分解這個電子計算機上指數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與更高的時鐘速 度，它還提供了一種基于量子原理的算法

4、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. 量子比特要有足夠長的相干時間。事實上，外部環(huán)境不可防止地破壞著量 子計算機的量子相干性，使之自發(fā)地向經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)，最根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和兩比特的受控非操作。量子計算機應能對任意量子比特準確地實施這些根本操作。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

5、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)實施有效的量子測量，以提取最終輸出值。 這時,量子的信息轉變?yōu)榻浀涞男畔?，因為人是生活在經典世界中的，而量子計?的最終目的是效勞于經典世界中的人。量子操作的性質：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，必須要能準確地控制系統(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“ T 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

6、，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，來到達經典計算機不可比較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

7、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。 這是量子物理最根本，最顯著的原 理，也是量子并行計算的核心。相對于經典計算機而言，量子計算機最重要的優(yōu)越性表達在量子并行計算 上。因為可對計算問題并行處理，在計算某些問題時，量子計算機比起經典計算 機有速度上的優(yōu)勢。例如，一個2位經典存放器可以編碼22個不同的數字：00, 01，10, 11。但每一時刻只能存儲其中的一個。而一個 2位的量子存放器利用量 子疊加效應，在一個給定的時刻可以同時存儲2n個數字，且一個量子態(tài)可以代表所有存儲的數字。3個量子位存儲器可以同時存儲23個不同數字，依次類推，對于n位的量子存儲器而言，它

8、可以同時存儲 2n個不同的數字態(tài)，在量子力2n 1學中，對n個量子位的存放器的一般態(tài)可表示為在此態(tài)中，量子x 0存放器同時具有2n種可能的值，也就是說，我們對其進展一次操作，就相當于對經典計算機的2n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)代替經典態(tài)的量子并行計算，可以到達經典計算機不可比較的運算速度和 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,那么可完全防止竊聽所以,量子信息技術非常適合于通信77, 78. 已經通過光纖實現(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

9、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)| 0和|1構成，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展測量，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。比方，對處于態(tài) 的兩原子系統(tǒng)，假設對原子1進展測量，結 果發(fā)現(xiàn)它處于 0態(tài)，那么馬上知道原子2處于|1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 子密鑰分配以與在量子計算的加速、量子糾錯、防錯等方面都起著關鍵作用。3. 量子計算的開展3.1中期開展1994年，貝爾實驗

10、室的應用數學家 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將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別于傳統(tǒng)計算法那么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根底架構，例如光子的偏振、空腔量 子電動力學、離子阱以與核磁共振等等。3. 2開展前景量子計算發(fā)揮作用的前提是量子計算的物理實現(xiàn)，即量子計算機的構建。雖 然量子計算機的實現(xiàn)原那么上已沒有不可逾越的障礙，但技術上的實現(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：目前還有很多經典算法無法解決的難題，研究新的能解決這些難題的量子算法是一