量子计算的发展

1.量子计算

1.1量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式,它利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算量子计算从本质上改变了传统的计算理念量子计算机

1.

2.量子计算机是实现量子计算的机器作为其核心器件的量子计算机是个由许许多多量子处理器构成的多体量子体系，每一个量子处理器是个两态量子系统基于量子叠加性原理,采用合适量子算法可以加快某些函数的运算速度，如量子并行算法可Shor以将“大数因子分解”这个电子计算机上指数复杂度的难题变成多项复杂度的“易解”问题，从而可攻破现有广泛使用的公钥等体系RSA由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势量子计算机非但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法量子计算机要实现量子计算需满足以下的要求.量子比特要有足够长的相干时间事实上,外部环境不可避免地破坏着量子计1算机的量子相干性，使之自发地向经典的概率计算机演化，这将导致量子计算失去其可靠性,甚至彻底无法运作具备有完备的普适幺正操作能力任何高维幺正操作均可分解成一系列低维操

2.作来实现,最基本的幺正操作单元称为普适门最简单的普适逻辑门的集合是单比特的任意幺正旋转和两比特的受控非操作量子计算机应能对任意量子比特精确地实施这些基本操作具备有初态制备能力因为任何量子计算的出发点都是从纯态开始,所以，我们

3.要有给量子计算机归零的能力不失普通性,在计算开始时,我们让所有的逻辑量子比特都置为〉|0必须有能力对量子计算机终态实施有效的量子测量，以提取最终输出值这时,

4.量子的信息转变为经典的信息，因为人是生活在经典世界中的,而量子计算的最终目的是服务于经典世界中的人量子操作的性质作为量子系统,量子计算机将在系统哈密顿量支配下按照薛定娉方程演化为执行量子计算,必须要能精确地控制系统的哈密顿量，以完成普适完备幺正操作中的任一种操作量子位

5.3量子位是量子计算的理论基石在常规计算机中，信息单元用二进制的个位来表1示，它不是处于态就是处于态.在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它“0”“1”除了处于态或者态外，还可处于叠加态叠加态是态和态的任意线性叠加，“0”“1”“0”“1”它既可以是态又可以是态，态和态各以一定的概率同时存在.通过测量或者“0“1”“0”“1”与其它物体发生相互作用而呈现出态或者态.任何两态的量子系统都可用来实现“0”“1”量子位，例如氢原子中的电子的基态和第一激发态、质子自旋在任意方向的+分量和-1/21/量子计算的原理2-分量、圆偏振光的左旋和右旋等2量子算法的核心就是利用量子计算机的这些特性来加速求解的速度,来达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能量子叠加性

2.1量子线性叠加原理是指任一量子系统都可以表示为描述量子系统不同状态（量子态）的线性组合，表现为如果输入是多个可能输入状态的线性组合时，输出态也将是所有输入态对应输出态的线性组合这是量子物理最基本，最显著的原理，也是量子并行计算的核心相对于经典计算机而言，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上因为可对计算问题并行处理，在计算某些问题时，量子计算机比起经典计算机有速度上的优势例如，一个位经典寄存器可以编码个不同的数字但每一22200,0I,10,11o时刻只能存储其中的一个而一个位的量子寄存器利用量子叠加效应，在一个给定2的时刻可以同时存储个数字，且一个量子态可以代表所有存储的数字个量子位2n3存储器可以同时存储个不同数字，挨次类推，对于位的量子存储器而言，它可以23n同时存储个不同的数字（态），在量子力2n学中，对个量子位的寄存器的普通态可表示为在此态中，量子n wx onx=0寄存器同时具有种可能的值，也就是说，我们对其进行一次操作，就相当于对经典2n计算机的次操作这种计算效果就是所谓的量子并行计算因此，用量子态代替经2n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意即量子计算机可以节省大量的运算资源量子态具有不可克隆性,而且量子叠加态在测量时浮现坍缩,如果将这些特性用于通信,则可彻底避免窃听.所以,量子信息技术非常适合于保密通信［］已经通过光77,

78.纤实现了公里的密码通信.48量子纠缠

2.2所谓“纠缠态”，是指复合系统的一种特殊形式的量子态，它在任何表象中，都无法写成两子系量子态的直积形式因为纠缠态的每一分量均由两个粒子的单态即［沟成，所以处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙特性一旦我们对其中一个粒子进行测量，确定了它的状态，那末，就即将知道另一个粒子所处的状态，不管它们相距多远（几米、几千米或者几光年）比如，对处于节的两原子系统，若对原子进行测量，结果发现它处于态，1I则即将知道原子处于［态2量子纠缠是一种实用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用量子计算的发展

3.中期发展

3.1年，贝尔实验室的应用数学家指出，相对于传统电子计算器,利用1994P.Shor量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法确实有其实用性自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法许多量子系统都曾经被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振、空腔量子电动力学、离子阱以及核磁共振等等发展前景

3.2量子计算发挥作用的前提是量子计算的物理实现，即量子计算机的构建虽然量子计算机的实现原则上已没有不可逾越的障碍,但技术上的实现却遇到严重的艰难无论是量子并行计算还是量子摹拟计算,本质上都是利用了量子相干性,但在实际系统中量子相干性很难保持止匕外,量子的纠缠状态也很容易崩溃,且粒子数目越多,实现纠缠状态就越艰难要创造出实用的量子计算机,就必须使更多的粒子实现纠缠状态在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下,量子计算的研究重点包括:计算的物理实现提高量子体系中相干操控的能力,实现更多的量子纠缠状态；研究新的量子算法目前还有不少经典算法无法解决的难题，研究新的能解决这些难题的量子算法是一个重要方向；增强现有量子算法的实用性和扩展现有量子算法的应用范围目前摆在科学工作者面前的主要任务是提高在具有可扩展的量子体系之中相干操控的能力参考文献夏培肃.量子计算

5.计算机研究与发展

[1],2001,3810,1167-

1168.周正威,黄运锋,张永生等.量子计算的研究发展,

[2]2005,254,370-

371.。