量子计算机

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。^[1]是一种全新的基于量子理论的计算机。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。鉴于这种特性，量子计算机可存储和处理的信息是传统计算机不可企及的。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。^[2]

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机0与1完全吻合。如果把一群原子聚在一起，它们不会像电子计算机那样进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算，例如量子计算机处理数据时不是分步进行而是同时完成。只要40个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。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，其运算速度可能比目前的奔腾4芯片快10亿倍，可以在一瞬间搜寻整个互联网信息。^[1]

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。
2、几十年前，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、 进入20世纪90年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。尤其值得一提的是1994年美国贝尔实验室的Peter W. Shor证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的RSA公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击，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和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。

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。^[3]

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。

半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。

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）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。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。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，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。

有趣的量子理论

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。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。

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，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，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

目前发展的系统

包括如下物理系统：

液态核磁共振量子计算机(liquid-state NMR quantum computer)

(固态)硅晶体核磁共振量子计算机(silicon-based NMR quantum computer)

离子陷阱(ion trap)

量子光学(quantum optics)

腔室量子电动力学(cavity QED)

超导体方案

等等方法，各自有各自的瓶颈。

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。

1、. 接下来看看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，但是到目前为止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。 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，正所谓解铃还需系铃人，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。 1、首次实现双光子的量子漫步，奥布莱恩教授介绍称，在实验中，研究者成功让两个完全相同的光子“走”过一个硅芯片上的电路网，从而完成了一种被称为量子漫步（Quantum Walk）的物理过程。之前已有研究人员搞过单光子的量子漫步，此次双光子的量子漫步则是首次实现和被观测到。接下来，科学家还要在这种光子芯片上进行三光子甚至多光子的量子漫步。
2、从单光子到双光子并不是简单的跨越，要实现光子间的这种相互作用，必须保证这两个光子在所有方面完全相同。通过操纵双光子系统，计算能力将得到指数级提高。
3、能解决“不计其数”的难题，这项技术开辟了量子信息科学的一个新领域，为实现量子计算铺平了道路，而量子计算的实现将帮助我们理解最为复杂的科学问题。
4、虽然前路艰难，但这一研究未来极有可能带来一系列重大科学突破——如果说单光子的量子漫步能产生10项突破，那么双光子的量子漫步就能有100项，三光子就能有1000项，更多光子的量子漫步所能为人类解决的难题是难以估计的。
5、亦可用于更多领域，我们的技术不仅能帮助人们更好地理解这些重要的物理现象，还能应用在高效太阳能电池、超高速搜索引擎、高科技材料和新药开发等领域。基于多光子量子漫步的量子计算机则可用来模拟诸如超导、光合作用等由量子力学规律主导的复杂现象。
6、现在这个由布里斯托尔大学、日本东北大学、以色列魏茨曼科学研究所和荷兰屯特大学的科学家组成的国际研究小组将利用光子芯片来进行量子力学模拟，并准备通过增加光子数和增大芯片尺寸等手段来完成更复杂的实验。
1、现在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，来服务于社会！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。
2、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，人类有望在10年内制造出量子计算机，实现传统计算机无法完成的复杂运算。