量子计算机原理

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1、电脑达人量子计算机量子计算机严跃森量子计算机处理器量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、 存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算 法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机 的目的是为了解决计算机中的能耗问题。 量子计算机的提出量子计算机，早先由理查德费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可发 现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而资料量也变得庞大。一个完好的模拟所 需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德费曼当时就想到如果 用量子系统

2、所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的 概念诞生。 2 量子计算机，或推而广之量子资讯科学，在 1980 年代多处于理论推导等等纸上谈 兵状态。一直到 1994 年彼得秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现 在通行于银行及网络等处的 RSA 加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热 门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。 半导体靠控制积体电路（集成电路）来记录及运算资讯，量子电脑则希望控制原 子或小分子的状态，记录和运算资讯（信息） 。 图 2：布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几

3、何表示法，是建立量 子计算机的基础。 20 世纪 60 年代至 70 年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影 响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的 不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有 经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。 早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本 质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象

4、 是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量 子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可 以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许 多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后， 进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经 典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些 变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除 了进行并行计算外，量子计算机的另一重

5、要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机 无法胜任的。 1994 年，贝尔实验室的专家彼得秀尔（Peter Shor）证明量子电脑能做出对数运 算，而且速度远胜传统电脑。这是因为量子不像半导体只能记录 0 与 1，可以同时表示多 种状态。如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运算可以处理多种不 同状况，因此，一个 40 位元的量子计算机，就能解开 1024 位元的电子计算机花上数十年 解决的问题。 世界首台量子计算机在美国问世 1920 年，奥地利人埃尔温.薛定谔爱因斯坦德国人海森伯格和狄拉克，共同创建了 一个前所未有的新学科量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打

6、下了 基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。 量子计算机的技术概念最早由理乍得费曼提出，后经过很多年的研究这一技术已初 步见成效。 2009 年 11 月 15 日，世界首台量子计算机正式在美国诞生， 这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。较之 传统计算机中的“0”和“1”比特，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大 大超越传统计算机。 研究人员大卫汉尼克表示，通用编程量子计算机采用了量子逻辑门技术来处理 数据。制造量子逻辑门需设计一系列激光脉冲，以操纵铍离子进行数据处理，再由另一个 激光脉冲读取计算结果。一个简单的单量子比特门，

7、可从 0 转换成 1，也可从 1 转换成 0。 但与传统计算机的物理逻辑门不同的是，这台设备的量子逻辑门均已编码成激光脉冲。当 激光脉冲量子门对量子比特实行简单逻辑操作时，铍离子便会开始旋转，实现对量子比特 的存储。 这台量子计算机的核心部件是具金色图样的铝晶片，内含直径约为 200 微米的电 磁圈。科学家将两个镁离子和两个铍离子置于电磁圈中，镁离子可起到“稳定剂”的作用， 消除离子链的不必要振动，保持计算机的稳定性。 由于两个量子比特的操作具有多种可能，研究小组随机选取了 160 种操作方式进 行了演示，以验证处理器的通用性。每次操作都用 31 个不同的量子门击打量子比特，将其 编码成激光脉

8、冲。这其中大部分为单量子比特门，脉冲只需要与单一离子进行相互作用。 少数的双量子比特门则需要与两个离子同时发生交互作用。而通过对电磁圈旁黄金电极上 的电荷进行控制，研究人员能有效增加所需的离子数量。 不过，这一量子计算机仍存在着相当的问题。例如，尽管每个量子门的准确率都 在 90%以上，而当综合使用时计算机的整体准确率却下降到 79%。这主要是由于激光脉冲 的强度不同所造成的，汉内克解释说：“脉冲的波动性可造成这种误差，而光线的散射和反 射等，也可能是原因。 ” 研究小组表示，通过提升激光的稳定性和减少光学设备的误差，可有效提高芯片 的运行准确率。在准确率提升至 99.99%时，该芯片才能作为

9、量子处理器的主要部件，最终 实现通用编程量子计算机的实际应用。 量子计算机的概念 量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器， 其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。 经典计算机的特点1、其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是:其输入 态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列 0110110，用量子记号，即 |0110110。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态：C1|0110110 C2|1001001。 2、经典计算机内部的每一步变换都

10、演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性 质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对 量子计算机应一类特殊集。 量子计算机的特点相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输 入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits） ）,量子 计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。 1、量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交； 2、量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对 输出态进行一定的测量，给出计算结果。 由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计 算

11、。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实 现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起 来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。 无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的 是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统， 它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干（也称“退相干”） 。因此， 要使量子计算成为现 承载 16 个量子位的硅芯片实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方 法。主要的几种量子

12、编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是 经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不 高。 迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正 在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现 对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、 冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种 方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许 现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计

13、，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它 来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机 如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机 无法解决的问题。 量子计算机原理 量子计算机能做什么？量子计算机可以进行大数的因式分解，和 Grover 搜索破译密码， 但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用 EPR 对进行量子通讯的实验中中我们发 现，只有拥有 EPR 对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得 完全的量子信息，正所谓解铃还需系铃人，这样

14、实现的量子通讯才是真正不会被破解的保 密通讯。此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了量子模拟计算机， 就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研 究量子体系的特征。 量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。 其浮点运算性能是普通家用电脑的 CPU 所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实 就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行 高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的，因此造价相当惊人。目 前唯一一台量子计算机仍在微软的硅谷老家中，尚在试验阶段，离

15、投入使用还会有一段时 间。量子计算机当然不是给我们用来玩电子游戏的，因为这好比拿激光硅芯片上 16 个量子 位的光学照片：切割机去切纸，其主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体 积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。在运行这 一系列高难度运算的背后，是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。 假设 1 吨铀 235 通过核发电机 1 天能提供 7000 万瓦伏电量，但这些电量在短短的 10 天就会被消耗殆尽，这是最保守的估计；如果一台量子计算机一天工作 4 小时左右，那么 它的寿命将只有可怜的 2 年，如果工作 6 小时以上，恐怕连

16、1 年都不行，这也是最保守的 估计；假定量子计算机每小时有 70 摄氏度，那么 2 小时内机箱将达到 200 度，6 小时恐怕 散热装置都要被融化了，这还是最保守的估计！ 由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们的生活还将有一段漫长的距离，就让我 们迎着未来的曙光拭目以待吧！ 量子计算机的工作原理 普通的数字计算机在 0 和 1 的二进制系统上运行，称为“比特”（bit） 。但量子计算机要 远远更为强大。它们可以在量子位（qubit）上运算，可以计算 0 和 1 之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。 常识告诉，我们原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异 世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。 在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。 现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这 串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一