量子計算機簡介

1、量子計算機,制作人：光信 0210027 郭龍 光信 0210371 朱超凡,南開之星,當(dāng)今社會，人們越來越離不開計算機。而計算機的運算速度也由當(dāng)年的8086，8088，到現(xiàn)在的P4，甚至大型計算機。運算速度不斷飆升。,但由摩爾第一定律電腦芯片每18個月其上的晶體管翻一番，其主要技術(shù)是通過減少導(dǎo)線和元件尺寸來達(dá)到的。隨著尺寸的不斷減小，其電子的量子效應(yīng)不斷增加，以至以經(jīng)典物理為基礎(chǔ)的微電子學(xué)在電腦芯片的發(fā)展受到不可逾越的瓶頸。據(jù)科學(xué)家估計2025電腦芯片的速度將達(dá)到物理極限。,為了突破計算機的運算速度極限，人們開始不斷研發(fā)新的計算機芯片，其中光子計算機，生物計算機，量子計算機是前景最光明的三方

2、面。,光子計算機是 根據(jù)光學(xué)空間的多維特性，為計算機設(shè)計新的邏輯結(jié)構(gòu)和運算原理。 并充分利用光子元件體積小、傳送信息速度快的特點，用超高速大容量的光子元件替代目前計算機中使用的硅化學(xué)元件，用光導(dǎo)纖維或光波替代普通金屬導(dǎo)線。光二極管和光三極,生物計算機是通過對生物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞、信息處理等原理的進(jìn)一步研究，設(shè)計全新的仿生模式計算機，并與人工智能的研究相互借鑒、共同發(fā)展。模擬生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶等物質(zhì)的產(chǎn)生過程，制造出仿生集成芯片來替代目前計算機中使用的半導(dǎo)體元件。,而量子計算機卻完全不同，它以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，運用量子信息學(xué)，構(gòu)建一個完全以量子位為基礎(chǔ)的計算機芯片。,與傳統(tǒng)計算機相比首

3、先它沒有傳統(tǒng)計算機的盒式外殼，看起來象是一個被其他物質(zhì)包圍的巨大磁場。其次它不能象現(xiàn)在計算機那樣利用硬盤實現(xiàn)信息的長期存儲。但它有自身獨特的優(yōu)點，吸引眾多的國家和實體投入巨大的人力、物力去研究。,首先量子計算機處理數(shù)據(jù)不象傳統(tǒng)計算機那樣分步進(jìn)行，而是同時完成，這樣就節(jié)省了不少時間，適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)計算。它的速度足夠讓物理學(xué)家去模擬原子爆炸和其他的物理過程。,量子計算機的另一個優(yōu)點是微型化、集成化。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展，所有的電子器件都在朝著小型化和高集成化方向發(fā)展，而作為傳統(tǒng)計算機物質(zhì)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片一直是這場運動的領(lǐng)先者，但由于晶體管和芯片受材料的限制，體積減小是有個限度的，最終不能達(dá)到原

4、子水平。而每個量子元件尺寸都在原子尺度，由它們構(gòu)成的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，體積還會大大縮小?？梢韵胂笠粋€可以放在口袋中的超高速計算機是什么樣嗎？還有直徑只有幾十厘米的人造衛(wèi)星。,最后量子計算機還有一個優(yōu)點就是，系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，輸入的原始數(shù)據(jù)會自動繞過，進(jìn)入系統(tǒng)的正確部分進(jìn)行正常運算，運算能力相當(dāng)于1000億個奔騰處理器，運算速度比現(xiàn)有的計算機快100倍。光學(xué)計算機在處理數(shù)據(jù)的能力上要比電子計算機高1000多倍，處理信息的速度為每秒10億次，接近于人腦的思維能力。,量子計算機為什么會有這么大的威力呢？其根本原因在于構(gòu)成量子計算機的基本單元量子比特（q-bit），它

5、具有奇妙的性質(zhì)，這種性質(zhì)必須用量子力學(xué)來解釋，因此稱為量子特性。為了更好地理解什么是量子比特，讓我們看看經(jīng)典計算機的比特與量子計算機的量子比特有什么不同。我們現(xiàn)在所使用的計算機采用二進(jìn)制來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和運算，在任何時刻一個存儲器位代表0或1，例如在邏輯電路中電壓為5V表示1，0V表示0，如果出現(xiàn)其他數(shù)值計算機就會以為是出錯了。,而量子比特是由量子態(tài)相干疊加而成，一個具有兩種狀態(tài)的系統(tǒng)可以看作是一個“二進(jìn)制”的量子比特，對量子力學(xué)有了解的人都知道，在量子世界里物質(zhì)的狀態(tài)是捉摸不定的，如電子的位置可以在這里同時也可以在那里，原子的能級在某一時刻可以處于激發(fā)態(tài)，同時也可以處于基態(tài)。我們就采用有兩個

6、能級的原子來做量子計算機的q-bit。,現(xiàn)在我們規(guī)定原子在基態(tài)時記為 |0，在激發(fā)態(tài)時原子的狀態(tài)記為 |1 ，而原子具體處于哪個態(tài)我們可以通過辨別原子光譜得以了解。微觀世界的奇妙之處在于，原子除了保持上述兩種狀態(tài)之外，還可以處于兩種態(tài)的線性疊加，記為 |=a |1+ b |0 ，其中a，b分別代表原子處于兩種態(tài)的幾率幅。如此一來，這樣的一個q-bit不僅可以表示單獨的“0”和“1”（a=0時只有“0”態(tài)，b=0時只有“1”態(tài)），而且可以同時既表示“0”，又表示“1”（a,b都不為0時）。,舉一個簡單的例子，假如有一個由三個比特構(gòu)成的存儲器，如果是由經(jīng)典比特構(gòu)成則能表示000，001，010，0

7、11，100，101，110，111這8個二進(jìn)制數(shù)，即07這8個十進(jìn)制數(shù)，但同一時刻只能表示其中的一個數(shù)。若此存儲器是由量子比特構(gòu)成，如果三個比特都只處于 |0或 |1則能表示與經(jīng)典比特一樣的存儲器，但是量子比特還可以處于 |0與 |1的疊加態(tài)，假設(shè)三個q-bit每一個都是處于( |0+ |1) / (2) 態(tài)。,那么它們組成的量子存儲器將表示一個新的狀態(tài)，用量子力學(xué)的符號，可記做：|0|0|0+ |0|0|1+ |0|1|0+ |0|1|1+ |1|0|0+ |1|0|1+ |1|1|0+ |1|1|1 不難看出，上面這個公式表示8種狀態(tài)的疊加，既在某一時刻一個量子存儲器可以表示8個數(shù),假設(shè)

8、現(xiàn)在我們想求一個函數(shù)f(n)，(n07)的值，采用經(jīng)典計算的辦法至少需要下面的步驟：存儲器清零賦值運算保存結(jié)果再賦值運算再保存結(jié)果 對每一個n都必須經(jīng)過存儲器的賦值和函數(shù)f(n)的運算等步驟，而且至少需要8個存儲器來保存結(jié)果。,如果是用量子計算機來做這個題目則在原理上要簡潔的多，只需用一個量子存儲器，把各q-bit制備到( |0+ |1) / (2)態(tài)上就一次性完成了對8個數(shù)的賦值，此時存儲器成為態(tài) |，然后對其進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換以完成函數(shù)f(n)的功能，變換后的存儲器內(nèi)就保存了所需的8個結(jié)果。這種能同時對多個態(tài)進(jìn)行操縱，所謂“量子并行計算”的性質(zhì)正是量子計算機巨大威力的奧秘所在。,如果用計算

9、機計算1234X3433，能夠在幾秒內(nèi)出結(jié)果，但要用它計算4236322的所有因子并不容易。傳統(tǒng)計算機隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個129位的數(shù)字需要1600臺超級計算機聯(lián)網(wǎng)工作個月，而要分解一個140位的數(shù)字所需的時間超過了美國的年齡。但是利用一臺量子計算機，在幾秒內(nèi)就可得到結(jié)果。,但是，量子計算機的發(fā)展也存在不少因難。目前國際上量子計算機研制的四大技術(shù)難關(guān)是：量子隱性遠(yuǎn)程傳態(tài)測量中的波包塌縮；多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散；量子退相干效應(yīng)；量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運行量子態(tài)。,其中的多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散，直接影響量子計算機的正確讀數(shù)

10、。因為在讀取的瞬間表示信息的原子狀態(tài)會發(fā)生變化，從而造成各種失真。為了克服這一難點，科學(xué)家們發(fā)明了一種讀取方法核磁共振技術(shù)。,我們通過給粒子加一個數(shù)值固定的外磁場，因它們有不同的極化方向和自旋取向，從而能夠在磁場中以某種特定狀態(tài)存在，如果在此基礎(chǔ)上在加一個交變電場，改變頻率便可有效控制粒子的運動，使之一種運動形式代表一個數(shù)據(jù)。,原子在磁場中的不同取向,而對于量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運行量子態(tài)?，F(xiàn)在我們可以通過最新的原子芯片技術(shù)，利用在硅片上刻蝕金屬導(dǎo)線。當(dāng)其通過電流是在其100微米上形成磁勢阱，從而形成BEC（波色愛因斯坦凝聚 ）。在常溫下形成量子態(tài)。,現(xiàn)在，用原子實現(xiàn)的量子計算機只有5個q-bit，放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設(shè)備，只能做1+1=2的簡單運算，正如Bennett教授所說，“現(xiàn)在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，