量子計(jì)算機(jī)在科技上的應(yīng)用十分廣泛，對(duì)于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著很大的促進(jìn)作用。這是一篇理工論文：淺議量子計(jì)算機(jī)的概念原理與展望。

 

　　1引言

 

　　在人類己經(jīng)跨入21世紀(jì)之際，信息技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn).當(dāng)人們意識(shí)到如果在技術(shù)上遵循“摩爾定律”，那么硅片上的集成電路最終將會(huì)縮小到一點(diǎn)，那些獨(dú)立的元件不會(huì)比幾個(gè)原子更大，這就導(dǎo)致了新問題的出現(xiàn).因?yàn)樵谠蛹?jí)別支配著電路的行為和性質(zhì)的物理規(guī)律是量子力學(xué)，而不是經(jīng)典物理定律，這引起人們思考是否能設(shè)計(jì)一臺(tái)新的建立在量子物理規(guī)律基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī).量子計(jì)算機(jī)能否實(shí)現(xiàn)不可破譯、不可竊聽的保密通信己成為數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家關(guān)注的重要課題.

 

　　2什么是量子計(jì)算機(jī)

 

　　量子計(jì)算機(jī)，顧名思義，就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器.經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn).

 

　　在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元叫做一個(gè)量子位或者昆比特(qubit)，不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)并不是二進(jìn)制位，而是按照性質(zhì)4個(gè)一組組成的單元.量子計(jì)算機(jī)是以量子態(tài)作為信息的載體，運(yùn)算對(duì)象是昆比特序列.昆比特是兩個(gè)正交量子態(tài)的任意疊加態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了信息的量子化.

 

　　與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)類似，量子計(jì)算機(jī)同樣主要由存儲(chǔ)元件和邏輯門構(gòu)成，但是它們又同現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上使用的這兩類元件大不一樣.現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)用二進(jìn)制位存儲(chǔ)，每位只能存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，非。即1.而在量子計(jì)算機(jī)中采用量子位存儲(chǔ)，由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是U或1，也可以既存儲(chǔ)U又存儲(chǔ)1.這就是說量子位存儲(chǔ)的內(nèi)容可以是U和1的疊加.由于一個(gè)二進(jìn)制位只能存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，所以幾個(gè)二進(jìn)制位就只能存儲(chǔ)幾個(gè)數(shù)據(jù).而一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，所以n個(gè)量子位就可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù).這樣，便大大提高了存儲(chǔ)能力.

 

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中基本的邏輯門是“與”門和“非”門，對(duì)量子計(jì)算機(jī)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(xiàn)有的邏輯門多不能用，而需要使用能實(shí)現(xiàn)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(chǔ)信息的量子位，又有了用以進(jìn)行運(yùn)算的量子邏輯門，便可以建造量子計(jì)算機(jī)了.

 

　　量子計(jì)算機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)，一是能夠?qū)崿F(xiàn)量子并行計(jì)算，可加快解題速度;二是n個(gè)量子位可存儲(chǔ)2的n次方個(gè)數(shù)據(jù)，大大提高了存儲(chǔ)能力.至于它的弱點(diǎn)，一是受環(huán)境影響大，二是糾錯(cuò)不大容易.

 

　　3量子計(jì)算機(jī)的基本原理

 

　　量子計(jì)算機(jī)操縱著的是量子位或者說昆比特.昆比特遵循了量子力學(xué)的規(guī)律，而量子力學(xué)從本質(zhì)上說完全不同于傳統(tǒng)物理學(xué).昆比特不僅能在相應(yīng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)位的邏輯狀態(tài)0和1穩(wěn)定存在，而且也能在相應(yīng)于這些傳統(tǒng)位的混合或重疊狀態(tài)存在.

 

　　3. 1態(tài)疊加原理

 

　　疊加原理是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，是量子計(jì)算機(jī)的核心原理.態(tài)是指一個(gè)體系的每一種可能的運(yùn)動(dòng)方式.與宏觀體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的確定性相對(duì)立，微觀體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是非決定性的，是統(tǒng)計(jì)性的，微觀體系的態(tài)被稱之為量子態(tài).人們很難想象一個(gè)人、一棟樓等能處于一種多狀態(tài)疊加的情況.

 

　　舉個(gè)例子來說，比如一輛汽車正在行駛，前而有個(gè)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(shí).如果這時(shí)候有很多攝像機(jī)把這個(gè)過程拍下來，事后放映的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有的攝像機(jī)顯示的是從左邊繞過去的，有的攝像機(jī)顯示是從右邊繞過去的，這就是疊加原理.態(tài)疊加原理表明，一個(gè)量子系統(tǒng)的量子態(tài)可以是幾種不同量子態(tài)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(tài)，稱這線性組合為“疊加態(tài)”.

 

　　3.2量子并行

 

　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)，一個(gè)一位(只能存儲(chǔ)一位數(shù)字)的存儲(chǔ)器能儲(chǔ)存數(shù)字。和1.同樣一個(gè)兩位(就是同時(shí)只能存儲(chǔ)兩位數(shù)字)的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)00,01,10和11.但這些存儲(chǔ)器的共同特點(diǎn)和局限是在一個(gè)特定的時(shí)刻只能儲(chǔ)存一個(gè)數(shù)字(如二進(jìn)制數(shù)10).相比而言，一個(gè)量子重疊態(tài)運(yùn)行一個(gè)昆比特位同時(shí)儲(chǔ)存。和1.兩個(gè)昆比特位能同時(shí)儲(chǔ)存所有的4個(gè)二進(jìn)制數(shù).3個(gè)昆比特位能儲(chǔ)存8個(gè)二進(jìn)制數(shù)000,001,010,011,100,101,110和111. 300個(gè)昆比特位能同時(shí)儲(chǔ)存多于230。個(gè)數(shù)字.這甚至多于我們這個(gè)可見宇宙中的原子數(shù) 這表明了量子計(jì)算機(jī)只用300個(gè)光子(或者300個(gè)離子等等)就能儲(chǔ)存比這個(gè)宇宙中的原子數(shù)還多的數(shù)字，而且對(duì)這些數(shù)字的計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行.量子計(jì)算機(jī)可以對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，這些變換可以同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱做量子并行計(jì)算.

 

　　3. 3量子糾纏

 

　　量子計(jì)算中使用的另一個(gè)量子物理學(xué)特征:當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)粒子互相影響時(shí)，不可能獨(dú)立描述任何一個(gè)量子的狀態(tài)，即使當(dāng)它們隨后即被分開很遠(yuǎn)的距離，它們的行為表現(xiàn)得好像它們?nèi)匀皇且粋€(gè)整體.因此我們稱這些粒子是糾纏的.量子糾纏這個(gè)性質(zhì)允許了用于實(shí)現(xiàn)量子運(yùn)算法則的量子數(shù)的大量減少，這是人類制造使用量子計(jì)算機(jī)中的一個(gè)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(tǒng)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(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上.量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算.量子計(jì)算本質(zhì)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(jì)算機(jī)的效率，使其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(zhì)性的利用.

 

　　3. 4相干性與退相干

 

　　量子相干性反映著態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性.其中一種說法就是愛因斯坦和其合作者在1935年根據(jù)假想實(shí)驗(yàn)作出的一個(gè)預(yù)言.他們做了這樣假想實(shí)驗(yàn):在高能加速器中，由能量生成的一個(gè)電子和一個(gè)正電子朝著相反的方向飛行，在沒有人觀測時(shí)，兩者都處于向右和向左自旋的疊加態(tài)，而進(jìn)行觀測時(shí)，如果觀測到電子處于向右自旋的狀態(tài)，那么正電子就一定處于向左自旋的狀態(tài).這也就是說，“電子向右自旋”和“正電子向左自旋”的狀態(tài)是相關(guān)聯(lián)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(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間是有限制的.量子比特之間的相干性很難保持長時(shí)間，經(jīng)過一定的時(shí)間后，一旦遇到外界實(shí)體的觀測，就會(huì)失去相干性.在計(jì)算機(jī)中，量子比特不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，“已會(huì)與外部環(huán)境發(fā)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(tài)到失去相干性這段時(shí)間叫做“退相干時(shí)間”.如果退相干時(shí)間不能足夠長，就無法完成計(jì)算.所以，延長退相干時(shí)間，是以后必須解決的重大課題.量子疊加性會(huì)因?yàn)橛^測而崩潰.退相干是周圍的環(huán)境噪聲造成干擾使量子比特“變劣”，那么觀測也會(huì)對(duì)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(huán)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(jì)算機(jī)的發(fā)展

 

　　1936年Feynman提出量子計(jì)算的概念.在1982年制造了一個(gè)抽象的模型，示范了量子系統(tǒng)做運(yùn)算過程.1985年牛津大學(xué)Deutsch建立量子圖靈機(jī)模型，他認(rèn)為任何物理過程，在一般原則下，都能被量子計(jì)算機(jī)模擬.直到Shor在1994年提出了一個(gè)使用量子計(jì)算機(jī)解決一個(gè)重要的數(shù)字理論問題的方法，該方法被命名為Shor方法，表明一個(gè)特別為量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的整體數(shù)學(xué)運(yùn)算可以使這個(gè)機(jī)器以極J決的速度把巨大的數(shù)字分解因式，這個(gè)速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度快得多.隨著理論的突破，對(duì)量子計(jì)算機(jī)的興趣不再只局限于學(xué)術(shù)界，而是引起了全世界各領(lǐng)域人士的廣泛關(guān)注.

 

　　目前，量子信息處理技術(shù)己經(jīng)取得了很大且極有希望的進(jìn)展.這些進(jìn)展包括建立了2位和3位qubit的量子計(jì)算機(jī)，能夠運(yùn)行一些簡單的算法，也能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).

 

　　2000年8月，美國IBM公司、斯坦福大學(xué)和卡爾加里大學(xué)科學(xué)家宣布研制出了世界上最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī).該量子計(jì)算機(jī)使用了5個(gè)原子作為處理器和內(nèi)存計(jì)算機(jī).

 

　　2007年，加拿大D Wave公司成功研制出一臺(tái)具有16昆比特的“獵戶星座”量子計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī).

 

　　2009年11月15日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制出可處理兩個(gè)昆比特?cái)?shù)據(jù)的量子計(jì)算機(jī).

 

　　不過，量子計(jì)算機(jī)仍存在著相當(dāng)多的問題.盡管每個(gè)量子門的準(zhǔn)確率都在90%以上，而當(dāng)綜合使用時(shí)計(jì)算機(jī)的整體準(zhǔn)確率卻下降.只有有效提高芯片的運(yùn)行準(zhǔn)確率，在準(zhǔn)確率提升至99. 99%時(shí)，該芯片才能作為量子處理器的主要部件，最終實(shí)現(xiàn)通用編程量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用.

 

　　基于量子芯片在下一代計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)和國家安全等方而的重要性，美國己啟動(dòng)“微型曼哈頓計(jì)劃”.日本和歐共體在美國微型曼哈頓計(jì)劃的刺激下也緊跟其后啟動(dòng)類似計(jì)劃，這對(duì)我國是個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn).中國科學(xué)院院士郭光燦等人認(rèn)為，新一輪國際戰(zhàn)略競爭的焦點(diǎn)是“量子芯片”，這是我國改變目前在微電子工業(yè)受制于人的被動(dòng)局而的新機(jī)遇，不能再重蹈沒有核心技術(shù)的舊轍，應(yīng)當(dāng)在起跑線上采取有力措施參與這場關(guān)系到國家重大利益的激烈競爭.

 

　　5量子計(jì)算機(jī)的未來展望

 

　　目前，量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)的最大障礙是退相干問題，理論上描述承載量子計(jì)算昆比特是封閉的，無其他環(huán)境噪聲干擾，而實(shí)際上這種環(huán)境噪聲干擾是不可避免的.Unruh在1995年就發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲干擾會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算過程退化為經(jīng)典的概率計(jì)算過程，這使量子機(jī)算機(jī)的優(yōu)勢不復(fù)存在，對(duì)量子計(jì)算機(jī)來說是災(zāi)難性的.因此，量子計(jì)算機(jī)中退相干的克服，在理論上和實(shí)驗(yàn)上都是人們最關(guān)注的問題，量子糾錯(cuò)方案被寄予厚望，量子糾錯(cuò)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(cuò)碼，但在實(shí)驗(yàn)上，如何利用量子編碼來有效地克服退相干，根據(jù)量子計(jì)算機(jī)的具體物理模型，來尋找相應(yīng)的最有效的退相干克服方案，這還是一個(gè)富于挑戰(zhàn)性的問題.

 

　　與量子計(jì)算理論上的突飛猛進(jìn)相比，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)方案還很初步.現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)只制備出單個(gè)的量子邏輯門，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)現(xiàn)計(jì)算所需要的邏輯門網(wǎng)絡(luò).實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家正在尋找更有效的制備途徑，以克服退相干并實(shí)現(xiàn)邏輯門的級(jí)聯(lián).

 

　　量子計(jì)算始于“穆爾定律”終結(jié)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(xiàn)有芯片制造方法將在未來10多年內(nèi)達(dá)到極限，無法突破到分子以下的尺度.這一極限可能會(huì)出現(xiàn)在2020年.為此，世界各國的研究人員正在加緊開發(fā)新型計(jì)算機(jī).除量子計(jì)算機(jī)外，生物計(jì)算機(jī)和光計(jì)算機(jī)等也代表著未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向.