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量子计算机

2013-04-03 21:41:41 本文行家:宇宙与道

量子计算机(quantumcomputer),是一种全新的基于量子理论的计算机,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。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态,而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。

量子计算机 - 概述

科学家观测到的双光子量子漫步现象科学家观测到的双光子量子漫步现象

量子计算机,是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。不同于使用二进制或三极管的传统计算机,量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态,而非像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存,其运算速度可能比奔腾4芯片快10亿倍,可以在一瞬间搜寻整个互联网信息。

鉴于量子计算机的强大功能和特殊重大的战略意义,近20年来,相关领域的科学家纷纷投入研制工作,虽然面临重重技术障碍,但取得一些重要进展,证实了研制出量子计算机不存在无法逾越的困难。作为量子计算机的核心部件,量子芯片的开发与研制成为美国、日本等科技强国角逐的重中之重。

布里斯托尔大学量子光学中心主任杰里米·奥布莱恩教授说过去科学界普遍认为,量子计算无法在25年内实现,但现在我们相信,利用新的光子芯片技术,超越传统计算机的量子计算机10年之内就可能诞生。[1]

量子计算机 - 基础原理

量子计算之所以能快速高效地并行运算,除了因为量子态叠加性之外,还因为量子相干性。量子相干性是指量子之间的特殊联系,利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞,若观测到其中一电子是向左自转的,那么根据动量和能量守恒定律,另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的,则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体,对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态,正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算就缘于此。

量子计算机 - 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。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。 

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。

量子计算机 - 技术特点

相应于经典计算机,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玄正变换。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。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。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。

量子计算机 - 主要用途

量子计算机量子计算机

1、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。

2、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,这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。

3、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。量子计算机还可以测量星体精确坐标、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。 


量子计算机 - 研究进展

量子计算机量子计算机

1.20世纪后半叶计算机技术大行其道,人类进入信息时代。随着计算机芯片的集成度越来越高,元件越做越小,集成电路技术现在正逼近其极限,科学家们看到传统的计算机结构必将有终结的一天,而且尽管计算机的运行速度与日俱增,但是有一些难题是计算机根本无法解决的,例如大数的因式分解,理论上只要一个数足够大,这个难题够目前最快的计算机忙几亿年的。

早先由理查德•费曼提出量子计算机,一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德•费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。[2]

2、一些先驱者,如美国IBM公司的Charles H. Bennett等人就开始研究信息处理电路未来的去向问题,他们指出,当计算机元件的尺寸变得非常之小时,我们不得不面对一个严峻的事实:必须用量子力学来对它们进行描述。八十年代初期,一些物理学家证明一台计算机原则上可以以纯粹的量子力学的方式运行,之后很长一段时间,这一研究领域渐趋冷清,因为科学家们不能找到实际的系统可供进行量子计算机的实验,而且还尚不清楚量子计算机解决数学问题是否会比常规计算机快。

3、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。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,它就可以用一个玄正变换来表示。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。

4、在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得•秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜传统计算机,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。几年后Grover提出“量子搜寻算法”,可以破译DES密码体系。于是各国政府纷纷投入大量的资金科研力量进行量子计算机的研究,如今这一领域已经形成一门新型学科-量子信息学

5、用原子实现的量子计算机只有5个q-bit,放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备,只能做1+1=2的简单运算,正如Bennett教授所说,“现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后”,中国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称,他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的量子密码。科学技术的发展过程充满了偶然和未知,就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到,为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态,在六十多年后不仅被证明是存在的,而且还被用来做量子计算机。 

6、2012年3月1日据美国物理学家组织网报道,IBM研究院的科学家在提高量子计算装置性能方面取得重大进展。他们做到了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性完整性,从而进一步加快研制全尺寸实用量子计算机的步伐。

量子计算机 - 未来展望

IBM的量子计算机采用一个含5个氟原子的分子,每个原子代表1 qubit。IBM的量子计算机采用一个含5个氟原子的分子

截止到2012年10月,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。

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,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。 

由英国布里斯托尔大学领导的国际研究小组日前成功研制出速度更快、信息存储量更大的光粒子(以下简称光子)芯片,为量子计算开辟了新道路。科学家相信,人类有望制造出量子计算机,实现传统计算机无法完成的复杂运算。

 

量子计算机 - 相关知识

量子理论

量子论的一些基本论点显得并不“玄乎”,但它的推论显得很“玄”。我们假设一个“量子”距离也就是最小距离的两个端点A和B。按照量子论,物体从A不经过A和B中的任何一个点就能直接到达B。换句话说,物体在A点突然消失,与此同时在B点出现。除了神话,你无法在现实的宏观世界找到一个这样的例子。量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打个了七零八落。

薛定谔猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是:这只猫十分可怜,它被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出α粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温•薛定谔所设计,所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于非死非活的叠加态,这与我们的日常经验严重相违。

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)只对应一类特殊集。

量子比特

量子计算机三个量子比特的系统三个量子比特的系统

1、量子计算机具有特大威力的根本原因在于构成量子计算机的基本单元-量子比特(q-bit),它具有奇妙的性质,这种性质必须用量子力学来解释,因此称为量子特性。为了更好地理解什么是量子比特,让我们看看经典计算机的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储和运算,在任何时刻一个存储器位代表0或1,例如在逻辑电路中电压为5V表示1,0V表示0,如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。

2.量子比特是由量子态相干叠加而成,一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进制”的量子比特,对量子力学有了解的人都知道,在量子世界里物质的状态是捉摸不定的,如电子的位置可以在这里同时也可以在那里,原子的能级在某一时刻可以处于激发态,同时也可以处于基态。我们就采用有两个能级的原子来做量子计算机的q-bit。规定原子在基态时记为 |0〉,在激发态时原子的状态记为 |1〉 ,而原子具体处于哪个态我们可以通过辨别原子光谱得以了解。微观世界的奇妙之处在于,原子除了保持上述两种状态之外,还可以处于两种态的线性叠加,记为 |φ〉=a |1〉+ b |0〉 ,其中a,b分别代表原子处于两种态的几率幅。如此一来,这样的一个q-bit不仅可以表示单独的“0”和“1”(a=0时只有“0”态,b=0时只有“1”态),而且可以同时既表示“0”,又表示“1”(a,b都不为0时)。

3、 举一个简单的例子,假如有一个由三个比特构成的存储器,如果是由经典比特构成则能表示000,001,010,011,100,101,110,111这8个二进制数,即0~7这8个十进制数,但同一时刻只能表示其中的一个数。若此存储器是由量子比特构成,如果三个比特都只处于 |0〉或 |1〉则能表示与经典比特一样的存储器,但是量子比特还可以处于 |0〉与 |1〉的叠加态,假设三个q-bit每一个都是处于( |0〉|1〉) / (√2) 态,那么它们组成的量子存储器将表示一个新的状态,用量子力学的符号,可记做:
|0〉|0〉|0〉|0〉|0〉|1〉|0〉|1〉|0〉|0〉|1〉|1〉|1〉|0〉|0〉|1〉|0〉|1〉|1〉|1〉|0〉|1〉|1〉|1〉 
不难看出上面这个公式表示8种状态的叠加,既在某一时刻一个量子存储器可以表示8个数。

量子算法

量子计算机照片为国内开展量子电脑研制所使用的部分设备中国开展量子计算机研制所使用的部分设备

1、量子计算机如何对这些态进行运算。假设现在我们想求一个函数f(n),(n=0~7)的值,采用经典计算的办法至少需要下面的步骤:存储器清零→赋值运算→保存结果→再赋值运算→再保存结果。

2、对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数f(n)的运算等步骤,而且至少需要8个存储器来保存结果。如果是用量子计算机来做这个题目则在原理上要简洁的多,只需用一个量子存储器,把各q-bit制备到( |0〉 + |1〉 ) / (√2)态上就一次性完成了对8个数的赋值,此时存储器成为态 |φ〉 ,然后对其进行相应的幺正变换以完成函数f(n)的功能,变换后的存储器内就保存了所需的8个结果。这种能同时对多个态进行操纵,所谓“量子并行计算”的性质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。

3、具体的问题这就要要采用相应的量子算法,例如Shor提出的大数因式分解算法,和Grover的量子搜索算法漂亮地解决了两类问题。按照Shor算法,对一个1000位的数进行因式分解只需几分之一秒,同样的事情由目前最快的计算机来做,则需10年!而Grover的搜索算法则被形象地称为“从稻草堆中找出一根针”!尽管量子算法已经很多了,但是截止到2012年真正的量子计算机才只做到5个q-bit,只能做很简单的验证性实验。

4、除了最基本的量子位,量子计算,量子超空间传送等概念,在量子计算机的研究中还有许多有趣的现象和新的概念,如量子编码,量子逻辑门和量子网络,量子纠缠交换等。

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