量子計算機在科技上的應用十分廣泛，對于科學技術的發展有著很大的促進作用。這是一篇理工論文：淺議量子計算機的概念原理與展望。

 

　　1引言

 

　　在人類己經跨入21世紀之際，信息技術面臨著新的挑戰.當人們意識到如果在技術上遵循“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，這就導致了新問題的出現.因為在原子級別支配著電路的行為和性質的物理規律是量子力學，而不是經典物理定律，這引起人們思考是否能設計一臺新的建立在量子物理規律基礎上的計算機.量子計算機能否實現不可破譯、不可竊聽的保密通信己成為數學家、物理學家和計算機科學家關注的重要課題.

 

　　2什么是量子計算機

 

　　量子計算機，顧名思義，就是實現量子計算的機器.經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現.

 

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

 

　　與現有計算機類似，量子計算機同樣主要由存儲元件和邏輯門構成，但是它們又同現在計算機上使用的這兩類元件大不一樣.現有計算機上，數據用二進制位存儲，每位只能存儲一個數據，非。即1.而在量子計算機中采用量子位存儲，由于量子疊加效應，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容可以是U和1的疊加.由于一個二進制位只能存儲一個數據，所以幾個二進制位就只能存儲幾個數據.而一個量子位可以存儲2個數據，所以n個量子位就可以存儲2個數據.這樣，便大大提高了存儲能力.

 

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

 

　　量子計算機突出的優點有兩個，一是能夠實現量子并行計算，可加快解題速度;二是n個量子位可存儲2的n次方個數據，大大提高了存儲能力.至于它的弱點，一是受環境影響大，二是糾錯不大容易.

 

　　3量子計算機的基本原理

 

　　量子計算機操縱著的是量子位或者說昆比特.昆比特遵循了量子力學的規律，而量子力學從本質上說完全不同于傳統物理學.昆比特不僅能在相應于傳統計算機位的邏輯狀態0和1穩定存在，而且也能在相應于這些傳統位的混合或重疊狀態存在.

 

　　3. 1態疊加原理

 

　　疊加原理是量子力學的一個基本原理，是量子計算機的核心原理.態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的確定性相對立，微觀體系的運動狀態是非決定性的，是統計性的，微觀體系的態被稱之為量子態.人們很難想象一個人、一棟樓等能處于一種多狀態疊加的情況.

 

　　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把這個過程拍下來，事后放映的時候，發現有的攝像機顯示的是從左邊繞過去的，有的攝像機顯示是從右邊繞過去的，這就是疊加原理.態疊加原理表明，一個量子系統的量子態可以是幾種不同量子態中的任意一種，則它們的歸一化線性組合也可以是其量子態，稱這線性組合為“疊加態”.

 

　　3.2量子并行

 

　　傳統的計算機運算時，一個一位(只能存儲一位數字)的存儲器能儲存數字。和1.同樣一個兩位(就是同時只能存儲兩位數字)的存儲器可以存儲二進制數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字(如二進制數10).相比而言，一個量子重疊態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個二進制數.3個昆比特位能儲存8個二進制數000,001,010,011,100,101,110和111. 300個昆比特位能同時儲存多于230。個數字.這甚至多于我們這個可見宇宙中的原子數 這表明了量子計算機只用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還多的數字，而且對這些數字的計算可以同時進行.量子計算機可以對每一個疊加分量進行變換，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特征:當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，即使當它們隨后即被分開很遠的距離，它們的行為表現得好像它們仍然是一個整體.因此我們稱這些粒子是糾纏的.量子糾纏這個性質允許了用于實現量子運算法則的量子數的大量減少，這是人類制造使用量子計算機中的一個大難題.

 

　　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的疊加態上，而且還可以處于糾纏態上.量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算.量子計算本質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的效率，使其可以完成經典計算機無法完成的工作.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性的利用.

 

　　3. 4相干性與退相干

 

　　量子相干性反映著態之間的關聯性.其中一種說法就是愛因斯坦和其合作者在1935年根據假想實驗作出的一個預言.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，而進行觀測時，如果觀測到電子處于向右自旋的狀態，那么正電子就一定處于向左自旋的狀態.這也就是說，“電子向右自旋”和“正電子向左自旋”的狀態是相關聯的，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與傳統計算機不同，量子計算機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.在計算機中，量子比特不是一個孤立系統，“已會與外部環境發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量子計算機的發展

 

　　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，示范了量子系統做運算過程.1985年牛津大學Deutsch建立量子圖靈機模型，他認為任何物理過程，在一般原則下，都能被量子計算機模擬.直到Shor在1994年提出了一個使用量子計算機解決一個重要的數字理論問題的方法，該方法被命名為Shor方法，表明一個特別為量子計算機設計的整體數學運算可以使這個機器以極J決的速度把巨大的數字分解因式，這個速度比傳統計算機的速度快得多.隨著理論的突破，對量子計算機的興趣不再只局限于學術界，而是引起了全世界各領域人士的廣泛關注.

 

　　目前，量子信息處理技術己經取得了很大且極有希望的進展.這些進展包括建立了2位和3位qubit的量子計算機，能夠運行一些簡單的算法，也能進行數據存儲.

 

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

 

　　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，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.

 

　　2009年11月15日，美國國家標準技術研究院研制出可處理兩個昆比特數據的量子計算機.

 

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

 

　　基于量子芯片在下一代計算機產業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，這對我國是個嚴峻挑戰.中國科學院院士郭光燦等人認為，新一輪國際戰略競爭的焦點是“量子芯片”，這是我國改變目前在微電子工業受制于人的被動局而的新機遇，不能再重蹈沒有核心技術的舊轍，應當在起跑線上采取有力措施參與這場關系到國家重大利益的激烈競爭.

 

　　5量子計算機的未來展望

 

　　目前，量子計算物理實現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，無其他環境噪聲干擾，而實際上這種環境噪聲干擾是不可避免的.Unruh在1995年就發現，環境噪聲干擾會導致量子計算過程退化為經典的概率計算過程，這使量子機算機的優勢不復存在，對量子計算機來說是災難性的.因此，量子計算機中退相干的克服，在理論上和實驗上都是人們最關注的問題，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，根據量子計算機的具體物理模型，來尋找相應的最有效的退相干克服方案，這還是一個富于挑戰性的問題.

 

　　與量子計算理論上的突飛猛進相比，量子計算機的實驗方案還很初步.現在的實驗只制備出單個的量子邏輯門，遠未達到實現計算所需要的邏輯門網絡.實驗物理學家正在尋找更有效的制備途徑，以克服退相干并實現邏輯門的級聯.

 

　　量子計算始于“穆爾定律”終結處.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，現有芯片制造方法將在未來10多年內達到極限，無法突破到分子以下的尺度.這一極限可能會出現在2020年.為此，世界各國的研究人員正在加緊開發新型計算機.除量子計算機外，生物計算機和光計算機等也代表著未來計算機的發展方向.