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量子�(jì)算機(jī)
閱讀�32726�(shí)間:2011-04-14 17:31:36

  量子�(jì)算機(jī)(quantum computer),顧名思義,就是實(shí)�(xiàn)量子�(jì)算的�(jī)�。它是一類遵循量子力�(xué)�(guī)律�(jìn)行高速數(shù)�(xué)和邏輯運(yùn)算、存�(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)�(yīng)用的是量子比�,可以同�(shí)處在多�(gè)狀�(tài)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研��

基本概念

  量子�(jì)算機(jī),顧名思義,就是實(shí)�(xiàn)量子�(jì)算的�(jī)器。要說清楚量子計(jì)�,首先看�(jīng)典計(jì)�。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為�(duì)輸入信號(hào)串行按一定算法�(jìn)行變換的�(jī)�,其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來�(shí)�(xiàn)�

  �(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)�

  其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是�(jīng)典信�(hào),用量子力學(xué)的語言來描�,也即是:其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征�(tài)。如輸入二�(jìn)制串�0110110,用量子記號(hào)�

  即|0110110>。所有的輸入�(tài)均相互正�。對(duì)�(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加態(tài):C1|0110110 >+ C2|1001001>�

  �(jīng)典計(jì)算機(jī)�(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài),而一般的量子變換沒有這�(gè)性質(zhì),因此,�(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換(或�(jì)算)只對(duì)�(yīng)一類特殊集�

  相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩�(gè)限制,量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一�(gè)具有有限能級(jí)的量子系�(tǒng)來描�,如二能�(jí)系統(tǒng)(稱為量子位(qubits)),量子�(jì)算機(jī)的變換(即量子計(jì)算)包括所有可能的正變��

  因此量子�(jì)算機(jī)的特�(diǎn)�:

  ●量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加�(tài),其相互之間通常不正交;

  ●量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態(tài)之后,量子計(jì)算機(jī)�(duì)輸出�(tài)�(jìn)行一定的�(cè)�,給出計(jì)算結(jié)��

  由此可見,量子計(jì)算對(duì)�(jīng)典計(jì)算作了極大的�(kuò)�,經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子�(jì)�。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干�。量子計(jì)算機(jī)�(duì)每一�(gè)疊加分量�(shí)�(xiàn)的變換相�(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算,所有這些�(jīng)典計(jì)算同�(shí)完成,并按一定的概率振幅疊加起來,給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)�。這種�(jì)算稱為量子并行計(jì)��

工作原理

  普通的�(shù)字計(jì)算機(jī)�0�1的二�(jìn)制系�(tǒng)上運(yùn)�,稱為“比特”(bit�。但量子�(jì)算機(jī)要遠(yuǎn)�(yuǎn)更為�(qiáng)�。它們可以在量子位(qubit)上�(yùn)�,可以計(jì)�0�1之間的數(shù)�。假想一�(gè)放置在磁�(chǎng)中的原子,它像陀螺一樣旋�(zhuǎn),于是它的旋�(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下�。常�(shí)告訴,我�?cè)拥男D(zhuǎn)可能向上也可能向�,但不可能同�(shí)都�(jìn)�。但在量子的奇異世界中,原子被描述為兩種狀�(tài)的總�,一�(gè)向上�(zhuǎn)的原子和一�(gè)向下�(zhuǎn)的原子的總和。在量子的奇妙世界中,每一種物體都被使用所有不可思議狀�(tài)的總和來描述�

  �(xiàn)�,想象一串原子排列在一�(gè)磁場(chǎng)中,以相同的方式旋轉(zhuǎn)。如果一束激光照射在這串原子上方,激光束�(huì)躍下這組原子,迅速翻�(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)�。通過�(cè)量�(jìn)入的和離開的激光束的差�,我們已�(jīng)完成了一次復(fù)雜的量子“計(jì)算”,涉及了許多自旋的快速移�(dòng)�

歷史

  早先由理查德·�(fèi)曼提�,一開始是從物理�(xiàn)象的模擬而來�??砂l(fā)�(xiàn)�(dāng)模擬量子�(xiàn)象時(shí),因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g而數(shù)�(jù)量也變得龐大。一�(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)可觀,甚至是不切�(shí)際的天文�(shù)�。理查德·�(fèi)曼當(dāng)�(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所�(gòu)成的�(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則�(yùn)算時(shí)間可大幅度減�,從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生�

  量子�(jì)算機(jī),或推而廣之——量子信息科�(xué),在1980年代多處于理論推�(dǎo)等等紙上談兵狀�(tài)。一直到1994年彼得·秀爾(Peter Shor)提出量子質(zhì)因子分解算法�,因其對(duì)于現(xiàn)在通行于銀行及�(wǎng)�(luò)等處的RSA加密算法可以破解而構(gòu)成威脅之后,量子�(jì)算機(jī)變成了熱門的話�,除了理論之外,也有不少�(xué)者著力于利用各種量子系統(tǒng)來實(shí)�(xiàn)量子�(jì)算機(jī)�

  半導(dǎo)體靠控制集成電路來記錄及�(yùn)算信�,量子電腦則希望控制原子或小分子的狀�(tài),記錄和�(yùn)算信��

  1994年,貝爾�(shí)�(yàn)室的專家彼得·秀爾(Peter Shor)證明量子電腦能做出�(duì)�(shù)�(yùn)�,而且速度�(yuǎn)勝傳�(tǒng)電腦。這是�?yàn)榱孔硬幌癜雽?dǎo)體只能記�0�1,可以同�(shí)表示多種狀�(tài)。如果把半導(dǎo)體比成單一樂器,量子電腦就像交響樂�(tuán),一次運(yùn)算可以處理多種不同狀�,因�,一�(gè)40位的量子電腦,就能解�1024位電腦花上數(shù)十年解決的問��

用�

  1� 量子�(jì)算機(jī)可以�(jìn)行大�(shù)的因式分�,和Grover搜索破譯密碼,但是同�(shí)也提供了另一種保密通訊的方��

  2、在利用EPR�(duì)�(jìn)行量子通訊的實(shí)�(yàn)中中我們發(fā)�(xiàn),只有擁有EPR�(duì)的雙方才可能完成量子信息的傳�,任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信�,正所謂解鈴還需系鈴�,這樣�(shí)�(xiàn)的量子通訊才是真正不會(huì)被破解的保密通訊�

  3、此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來做量子系統(tǒng)的模�,人們一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī),就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在�(jīng)典計(jì)算機(jī)上做�(shù)值計(jì)�,便可精確地研究量子體系的特��

未來展望

  �(xiàn)在用原子�(shí)�(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)只有5�(gè)q-bit,放在一�(gè)試管中而且配備有龐大的外圍�(shè)�,只能做1+1=2的簡單運(yùn)�,正如Bennett教授所�,“現(xiàn)在的量子�(jì)算機(jī)只是一�(gè)玩具,真正做到有�(shí)用價(jià)值的也許�5年,10�,甚至是50年以后�,我國量子信息專家中國科技大學(xué)的郭光燦教授則宣稱,他領(lǐng)�(dǎo)的實(shí)�(yàn)室將�5年之�(nèi)研制出實(shí)用化的量子密�,來服務(wù)于社�(huì)!科�(xué)技�(shù)的發(fā)展過程充滿了偶然和未�,就算是物理�(xué)泰斗愛因斯坦也決不會(huì)想到,為了批判量子力�(xué)而用他的聰明大腦假想出來的EPR�(tài),在六十多年后不僅被證明是存在的,而且還被用來做量子計(jì)算機(jī)�

  近年來由于社�(huì)�(duì)高�、保�、大容量的通訊及計(jì)算的需�,促�(jìn)了量子信息、量子計(jì)算理論與�(shí)�(yàn)的迅速發(fā)��

  目前,美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)�、IBM、和斯坦福大�(xué)、武漢物理教�(xué)所、清華大�(xué)四�(gè)研究組已�(shí)�(xiàn)7�(gè)量子比特量子算法演示�

  2007�2�,加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子�(jì)算機(jī)(尚未經(jīng)科學(xué)檢驗(yàn)�,如果他們是誠信�,這�(gè)工作的意義就非常重大,或�,可�(shí)際應(yīng)用的量子�(jì)算機(jī)�(huì)在幾年內(nèi)出現(xiàn),量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代真的要開始��

  2010�3�31日,德國于利希研究中心發(fā)表公�(bào):德國超�(jí)�(jì)算機(jī)成功模擬42位量子計(jì)算機(jī),該中心的超�(jí)�(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬�42位的量子�(jì)算機(jī),在此基�(chǔ)上研究人員首次能夠仔�(xì)地研究高位數(shù)量子�(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特��

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