量子計算機(jī)在科技上的應(yīng)用十分廣泛，對于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著很大的促進(jìn)作用。這是一篇理工論文：淺議量子計算機(jī)的概念原理與展望。

 

　　1引言

 

　　在人類己經(jīng)跨入21世紀(jì)之際，信息技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn).當(dāng)人們意識到如果在技術(shù)上遵循“摩爾定律”，那么硅片上的集成電路最終將會縮小到一點，那些獨立的元件不會比幾個原子更大，這就導(dǎo)致了新問題的出現(xiàn).因為在原子級別支配著電路的行為和性質(zhì)的物理規(guī)律是量子力學(xué)，而不是經(jīng)典物理定律，這引起人們思考是否能設(shè)計一臺新的建立在量子物理規(guī)律基礎(chǔ)上的計算機(jī).量子計算機(jī)能否實現(xiàn)不可破譯、不可竊聽的保密通信己成為數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家關(guān)注的重要課題.

 

　　2什么是量子計算機(jī)

 

　　量子計算機(jī)，顧名思義，就是實現(xiàn)量子計算的機(jī)器.經(jīng)典計算機(jī)從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由計算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn).

 

　　在量子計算機(jī)中，基本信息單元叫做一個量子位或者昆比特(qubit)，不同于傳統(tǒng)計算機(jī)，這種計算機(jī)并不是二進(jìn)制位，而是按照性質(zhì)4個一組組成的單元.量子計算機(jī)是以量子態(tài)作為信息的載體，運算對象是昆比特序列.昆比特是兩個正交量子態(tài)的任意疊加態(tài)，從而實現(xiàn)了信息的量子化.

 

　　與現(xiàn)有計算機(jī)類似，量子計算機(jī)同樣主要由存儲元件和邏輯門構(gòu)成，但是它們又同現(xiàn)在計算機(jī)上使用的這兩類元件大不一樣.現(xiàn)有計算機(jī)上，數(shù)據(jù)用二進(jìn)制位存儲，每位只能存儲一個數(shù)據(jù)，非。即1.而在量子計算機(jī)中采用量子位存儲，由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是U或1，也可以既存儲U又存儲1.這就是說量子位存儲的內(nèi)容可以是U和1的疊加.由于一個二進(jìn)制位只能存儲一個數(shù)據(jù)，所以幾個二進(jìn)制位就只能存儲幾個數(shù)據(jù).而一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，所以n個量子位就可以存儲2個數(shù)據(jù).這樣，便大大提高了存儲能力.

 

　　傳統(tǒng)計算機(jī)中基本的邏輯門是“與”門和“非”門，對量子計算機(jī)來說，所有操作必須是可逆的，就是說由輸出可以反推出輸入.因此現(xiàn)有的邏輯門多不能用，而需要使用能實現(xiàn)可逆操作的邏輯門，這是“控制非”門，又叫“量子異或”門.有了存儲信息的量子位，又有了用以進(jìn)行運算的量子邏輯門，便可以建造量子計算機(jī)了.

 

　　量子計算機(jī)突出的優(yōu)點有兩個，一是能夠?qū)崿F(xiàn)量子并行計算，可加快解題速度;二是n個量子位可存儲2的n次方個數(shù)據(jù)，大大提高了存儲能力.至于它的弱點，一是受環(huán)境影響大，二是糾錯不大容易.

 

　　3量子計算機(jī)的基本原理

 

　　量子計算機(jī)操縱著的是量子位或者說昆比特.昆比特遵循了量子力學(xué)的規(guī)律，而量子力學(xué)從本質(zhì)上說完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué).昆比特不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計算機(jī)位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在.

 

　　3. 1態(tài)疊加原理

 

　　疊加原理是量子力學(xué)的一個基本原理，是量子計算機(jī)的核心原理.態(tài)是指一個體系的每一種可能的運動方式.與宏觀體系的運動狀態(tài)的確定性相對立，微觀體系的運動狀態(tài)是非決定性的，是統(tǒng)計性的，微觀體系的態(tài)被稱之為量子態(tài).人們很難想象一個人、一棟樓等能處于一種多狀態(tài)疊加的情況.

 

　　舉個例子來說，比如一輛汽車正在行駛，前而有個大石頭，汽車要么從左邊繞過去，要么從右邊繞過去，這是常識.如果這時候有很多攝像機(jī)把這個過程拍下來，事后放映的時候，發(fā)現(xiàn)有的攝像機(jī)顯示的是從左邊繞過去的，有的攝像機(jī)顯示是從右邊繞過去的，這就是疊加原理.態(tài)疊加原理表明，一個量子系統(tǒng)的量子態(tài)可以是幾種不同量子態(tài)中的任意一種，則它們的歸一化線性組合也可以是其量子態(tài)，稱這線性組合為“疊加態(tài)”.

 

　　3.2量子并行

 

　　傳統(tǒng)的計算機(jī)運算時，一個一位(只能存儲一位數(shù)字)的存儲器能儲存數(shù)字。和1.同樣一個兩位(就是同時只能存儲兩位數(shù)字)的存儲器可以存儲二進(jìn)制數(shù)00,01,10和11.但這些存儲器的共同特點和局限是在一個特定的時刻只能儲存一個數(shù)字(如二進(jìn)制數(shù)10).相比而言，一個量子重疊態(tài)運行一個昆比特位同時儲存。和1.兩個昆比特位能同時儲存所有的4個二進(jìn)制數(shù).3個昆比特位能儲存8個二進(jìn)制數(shù)000,001,010,011,100,101,110和111. 300個昆比特位能同時儲存多于230。個數(shù)字.這甚至多于我們這個可見宇宙中的原子數(shù) 這表明了量子計算機(jī)只用300個光子(或者300個離子等等)就能儲存比這個宇宙中的原子數(shù)還多的數(shù)字，而且對這些數(shù)字的計算可以同時進(jìn)行.量子計算機(jī)可以對每一個疊加分量進(jìn)行變換，這些變換可以同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱做量子并行計算.

 

　　3. 3量子糾纏

 

　　量子計算中使用的另一個量子物理學(xué)特征:當(dāng)兩個或多個粒子互相影響時，不可能獨立描述任何一個量子的狀態(tài)，即使當(dāng)它們隨后即被分開很遠(yuǎn)的距離，它們的行為表現(xiàn)得好像它們?nèi)匀皇且粋€整體.因此我們稱這些粒子是糾纏的.量子糾纏這個性質(zhì)允許了用于實現(xiàn)量子運算法則的量子數(shù)的大量減少，這是人類制造使用量子計算機(jī)中的一個大難題.

 

　　人們己提出了用光子、電子、原子、離子、核自旋等物理系統(tǒng)作為量子比特的方案.特別是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上.量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計算是一類特殊的量子計算.量子計算本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性.量子并行處理大大提高了量子計算機(jī)的效率，使其可以完成經(jīng)典計算機(jī)無法完成的工作.量子糾纏及相干性在所有的量子超快速算法中得到了本質(zhì)性的利用.

 

　　3. 4相干性與退相干

 

　　量子相干性反映著態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性.其中一種說法就是愛因斯坦和其合作者在1935年根據(jù)假想實驗作出的一個預(yù)言.他們做了這樣假想實驗:在高能加速器中，由能量生成的一個電子和一個正電子朝著相反的方向飛行，在沒有人觀測時，兩者都處于向右和向左自旋的疊加態(tài)，而進(jìn)行觀測時，如果觀測到電子處于向右自旋的狀態(tài)，那么正電子就一定處于向左自旋的狀態(tài).這也就是說，“電子向右自旋”和“正電子向左自旋”的狀態(tài)是相關(guān)聯(lián)的，稱為“量子相干性”.這種相干性只有用量子理論才能解釋.

 

　　退相干使得量子計算機(jī)與傳統(tǒng)計算機(jī)不同，量子計算機(jī)的運算時間是有限制的.量子比特之間的相干性很難保持長時間，經(jīng)過一定的時間后，一旦遇到外界實體的觀測，就會失去相干性.在計算機(jī)中，量子比特不是一個孤立系統(tǒng)，“已會與外部環(huán)境發(fā)生作用而使量子相干性衰減，即“退相干”.量子比特從相干狀態(tài)到失去相干性這段時間叫做“退相干時間”.如果退相干時間不能足夠長，就無法完成計算.所以，延長退相干時間，是以后必須解決的重大課題.量子疊加性會因為觀測而崩潰.退相干是周圍的環(huán)境噪聲造成干擾使量子比特“變劣”，那么觀測也會對相干性造成影響.為了避免退相干，就要將電路元件與周圍環(huán)境隔離.但是，到目前為比仍有許多退相干的原因沒有被查明.

 

　　4量子計算機(jī)的發(fā)展

 

　　1936年Feynman提出量子計算的概念.在1982年制造了一個抽象的模型，示范了量子系統(tǒng)做運算過程.1985年牛津大學(xué)Deutsch建立量子圖靈機(jī)模型，他認(rèn)為任何物理過程，在一般原則下，都能被量子計算機(jī)模擬.直到Shor在1994年提出了一個使用量子計算機(jī)解決一個重要的數(shù)字理論問題的方法，該方法被命名為Shor方法，表明一個特別為量子計算機(jī)設(shè)計的整體數(shù)學(xué)運算可以使這個機(jī)器以極J決的速度把巨大的數(shù)字分解因式，這個速度比傳統(tǒng)計算機(jī)的速度快得多.隨著理論的突破，對量子計算機(jī)的興趣不再只局限于學(xué)術(shù)界，而是引起了全世界各領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注.

 

　　目前，量子信息處理技術(shù)己經(jīng)取得了很大且極有希望的進(jìn)展.這些進(jìn)展包括建立了2位和3位qubit的量子計算機(jī)，能夠運行一些簡單的算法，也能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲.

 

　　2000年8月，美國IBM公司、斯坦福大學(xué)和卡爾加里大學(xué)科學(xué)家宣布研制出了世界上最先進(jìn)的量子計算機(jī).該量子計算機(jī)使用了5個原子作為處理器和內(nèi)存計算機(jī).

 

　　2007年，加拿大D Wave公司成功研制出一臺具有16昆比特的“獵戶星座”量子計算機(jī)，并于2008年2月13日和2月15日分別在美國加州和加拿大溫哥華展示他們的量子計算機(jī).

 

　　2009年11月15日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制出可處理兩個昆比特數(shù)據(jù)的量子計算機(jī).

 

　　不過，量子計算機(jī)仍存在著相當(dāng)多的問題.盡管每個量子門的準(zhǔn)確率都在90%以上，而當(dāng)綜合使用時計算機(jī)的整體準(zhǔn)確率卻下降.只有有效提高芯片的運行準(zhǔn)確率，在準(zhǔn)確率提升至99. 99%時，該芯片才能作為量子處理器的主要部件，最終實現(xiàn)通用編程量子計算機(jī)的實際應(yīng)用.

 

　　基于量子芯片在下一代計算機(jī)產(chǎn)業(yè)和國家安全等方而的重要性，美國己啟動“微型曼哈頓計劃”.日本和歐共體在美國微型曼哈頓計劃的刺激下也緊跟其后啟動類似計劃，這對我國是個嚴(yán)峻挑戰(zhàn).中國科學(xué)院院士郭光燦等人認(rèn)為，新一輪國際戰(zhàn)略競爭的焦點是“量子芯片”，這是我國改變目前在微電子工業(yè)受制于人的被動局而的新機(jī)遇，不能再重蹈沒有核心技術(shù)的舊轍，應(yīng)當(dāng)在起跑線上采取有力措施參與這場關(guān)系到國家重大利益的激烈競爭.

 

　　5量子計算機(jī)的未來展望

 

　　目前，量子計算物理實現(xiàn)的最大障礙是退相干問題，理論上描述承載量子計算昆比特是封閉的，無其他環(huán)境噪聲干擾，而實際上這種環(huán)境噪聲干擾是不可避免的.Unruh在1995年就發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲干擾會導(dǎo)致量子計算過程退化為經(jīng)典的概率計算過程，這使量子機(jī)算機(jī)的優(yōu)勢不復(fù)存在，對量子計算機(jī)來說是災(zāi)難性的.因此，量子計算機(jī)中退相干的克服，在理論上和實驗上都是人們最關(guān)注的問題，量子糾錯方案被寄予厚望，量子糾錯理論成為研究中最熱門的課題.理論上雖然己提出各種量子糾錯碼，但在實驗上，如何利用量子編碼來有效地克服退相干，根據(jù)量子計算機(jī)的具體物理模型，來尋找相應(yīng)的最有效的退相干克服方案，這還是一個富于挑戰(zhàn)性的問題.

 

　　與量子計算理論上的突飛猛進(jìn)相比，量子計算機(jī)的實驗方案還很初步.現(xiàn)在的實驗只制備出單個的量子邏輯門，遠(yuǎn)未達(dá)到實現(xiàn)計算所需要的邏輯門網(wǎng)絡(luò).實驗物理學(xué)家正在尋找更有效的制備途徑，以克服退相干并實現(xiàn)邏輯門的級聯(lián).

 

　　量子計算始于“穆爾定律”終結(jié)處.按照著名的“穆爾定律”，隨著電路板蝕刻精度越來越高，中央處理器芯片上集成的晶體管器件越來越密，現(xiàn)有芯片制造方法將在未來10多年內(nèi)達(dá)到極限，無法突破到分子以下的尺度.這一極限可能會出現(xiàn)在2020年.為此，世界各國的研究人員正在加緊開發(fā)新型計算機(jī).除量子計算機(jī)外，生物計算機(jī)和光計算機(jī)等也代表著未來計算機(jī)的發(fā)展方向.