量子计算机

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量子计算机(Quantum Computer)就是以量子力学系统为计算机用量子态编码信息,并根据具体问题算法要求、按照量子力学规律执行计算任务(变换、演化编码量子态),根据量子测量理论提取计算结果的一种计算机。

基本概念

量子计算机(Quantum Computer)就是以量子力学系统为计算机用量子态编码信息,并根据具体问题算法要求、按照量子力学规律执行计算任务(变换、演化编码量子态),根据量子测量理论提取计算结果的一种计算机。由于量子态具有相干叠加性质,特别是具有经典物理中没有的量子纠缠特性,这就使量子计算机具有天然的“大规模并行计算”的能力。由于并行规模随芯片上集成量子位数目指数增加,因此量子计算的并行规模实际上是不受限制的。

研究进程

自从第一台电子计算机诞生以来,60多年来几乎所有的电子计算机都是基于冯·诺依曼体系结构,其计算模型是阿兰·图灵于1936年提出的图灵机模型。20世纪60年代以来,经典计算机硬件能力的发展近似地遵从摩尔定律;然而,大多数观察家预言这将在21世纪前20年内结束。制造计算机的传统方法已经开始显得力不从心,当电子器件的尺度越来越小时,它的功能开始受到量子效应的干扰。摩尔定律最终失效的一个可能解决办法是采取不同的计算模型。

量子计算是基于量子物理而非经典物理思想进行的计算。量子力学的创建推动了近代科学的发展,人类可以借助量子力学来探索微观物质之间的相互作用和演化规律。1982年,美国著名物理学家Feynman首次提出量子计算的概念,在计算速度上量子计算机相对于经典计算机有着本质的超越,以致于许多研究者相信在量子计算机和经典计算机的计算能力之间存在着无法跨越的鸿沟。

1985年,英国牛津大学教授Deutsch建立了量子图灵机模型,引进了量子计算线路模型和量子通用逻辑门组,突破了经典布尔逻辑的限制,实现了到量子幺正演化跃进,并指出量子计算机可以通用化,以及量子计算错误的产生和纠正等问题。

1994年,美国Bell实验室的Shor提出了分解大数质因子的量子算法,这种算法在量子计算机上可以以输入位数的多项式时间分解大数质因子。因此,Shor的结果是量子计算机比图灵机更为强大的有力证据。

1996年,Grover提出了平方根加速的随机数据库量子搜索算法,这种搜索方法的广泛适用性引起了人们的相当关注。随着计算机科学和物理学之间的跨学科研究的突飞猛进,使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发展,各国政府和各大公司也纷纷制定了针对量子计算机的一系列的研究开发计划。

美国高级研究计划局先后于2002年和2004年分别制定一个名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划1.0版和2.0版,该计划详细介绍了美国发展量子计算的主要步骤和时间表,该计划中美国将争取在2012年研制成50个物理量子位的计算机,美国陆军也计划到2020年在武器上装备量子计算机。

欧洲在量子计算及量子加密方面也作了积极的研究和开发。己经完成了第5个框架计划中对不同量子系统的离散和纠缠的研究以及对量子算法及信息处理的研究。同时在第6个框架计划中,着重进行研究量子算法和加密技术。

日本于2000年10月开始为期5a的量子计算与信息计划,重点研究量子计算和量子通信的复杂性、设计新的量子算法、开发健壮的量子电路、找出量子自控的有用特性以及开发量子计算模拟器。

基本原理

量子计算机是以量子态为记忆单元、开关电路和信息存储形式,以量子动力学演化为信息传递与量子通信,其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机遵从的基木原理是量子力学原理,即量子力学变量的分立特性、叠加态原理和量子相干性。

传统计算机的存储方式

传统计算机采用比特(bit)作为信息存储单位。从物理学角度,比特是两态系统,它可保持其中一种可识别状态,即1或0。对于1和0,可以利用电流的通断或电平的高低两种方法表示,然后可以通过与门、非门两种逻辑电路的组合实现加、减、乘、除和逻辑运算。如把0~n个数相加,先输入00,处理后输入01,两者相“与”再输入下一个数10,以此类推直至处理完第n个数,即输入一次,运算一次,n次输入,n次运算。这种串行处理方式不可避免地制约着传统计算机的运算速度。

例如,在1994年共1600个工作站历时8月才完成对129位因式的分解。倘若分解位数多达1000位,据估算使用当前最快的计算机也需要1025年。而遵循量子力学定理的新一代量子计算机利用超高速并行运算只需要几秒即可得出结果。

量子计算的存储方式

量子计算的信息存储单位是量子比特,其两态的表示常用以下两种方式:

① 利用电子自旋方向。如向左自转状态代表1,向右自转状态代表0。电子的自转方向可以通过电磁波照射加以控制,如图1所示:

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图1 量子计算中的电子自转

② 利用原子的不同能级。原子有基态和激发态两种能级,规定原子基态为0,激发态为1。其具体状态可通过辨别原子光谱或核磁共振技术辨别。

量子计算在处理0~n个数相加时,采用的是并行处理方式将00、01、10等n 个数据同时输入处理器,并做一次运算即得结果。无论有多少数据,量子计算都是同时输入,运算一次,从而避免了传统计算机输入一次运算一次的耗时过程。当对海量数据进行处理时,这种并行处理方式的速度足以让传统计算机望尘莫及。

量子叠加态

量子计算为何能实现并行运算呢?根本原因在于量子比特具有叠加状态。传统计算机每个比特只能取一种状态0或1,而量子比特不仅可以取0或1,还可以同时取0和1,即其叠加态。以此类推,n位传统比特仅能代表2n中的某一态,而n位量子比特却能同时表示2n个叠加态。运算时量子计算只须对这2n个量子叠加态处理一次,这就意味着一次同时处理了2n个量子比特,同样的操作传统计算机需处理2n次。因此,理论上量子计算速度可以提高2n倍,从而实现了并行计算。

现有两比特存储单元,经典计算机只能存储00、01、10、11四位二进制数,而同一时刻只能存储其中某一位。而量子比特除了能表示0或1两态,还可同时表示0和1的叠加态,量子力学记为:

|φ〉= a|1〉+ b|0〉

其中a、b分别表示原子处于两态的几率,a=0时只有0态,b=0时只有1态,a、b都不为0时既可表示0,又可表示1。因此,两位量子比特可同时表示4种状态。

量子相干性

量子计算除了可以并行计算外,还能快速高效地进行运算,这就用到了量子计算的另一个特性,即量子相干性。

量子相干性是指量子之间的特殊联系,利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子状态。比如两电子发生正向碰撞,若观测到其中一电子是向左自转的,那么根据动量和能量守恒定律,另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。

可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的,则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体,对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态。但是量子相干性很难保持,在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可以避免出错,但其也只是发现和纠正错误,却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。

量子算法

量子算法作为量子计算的重要组成部分,在过去的十几年中得到了广泛的发展并取得了一系列惊人的成就。

制约因素

目前,量子计算机的应用尚处于起步阶段,制约其应用发展的主要因素有:

(1)受环境的影响,量子算法所需的相干性和量子干涉效应非常脆弱,容易出错。随着机器规模的增大,计算的可靠性急剧下降,使制造规模大的量子计算机变得十分困难。

(2)寻找一种能存储“量子比特”的物理载体很难,目前大都利用原子的自旋轴或者它的能级来存储量子比特。

(3)成功有效的量子算法有限,目前比较好的算法有Shor算法和Grove算法,还需要更多能解决实际问题的量子算法,以证明量子计算机的确比传统计算机要优越。