量子計算機

量子計算機（quantum computer），是一種全新的基於量子理論的計算機，遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態，而不像傳統計算機那樣只能處於0或1的二進位狀態。

科學家觀測到的雙光子量子漫步現象

量子計算機，是利用原子所具有的量子特性進行信息處理的一種全新概念的計算機。不同於使用二進位或三極體的傳統計算機，量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態，而非像傳統計算機那樣只能處於0或1的二進位狀態。量子計算機以處於量子狀態的原子作為中央處理器和內存，其運算速度可能比奔騰4晶元快10億倍，可以在一瞬間搜尋整個互聯網信息。

鑒於量子計算機的強大功能和特殊重大的戰略意義，近20年來，相關領域的科學家紛紛投入研製工作，雖然面臨重重技術障礙，但取得一些重要進展，證實了研製出量子計算機不存在無法逾越的困難。作為量子計算機的核心部件，量子晶元的開發與研製成為美國、日本等科技強國角逐的重中之重。

布里斯托爾大學量子光學中心主任傑里米·奧布萊恩教授說過去科學界普遍認為，量子計算無法在25年內實現，但現在我們相信，利用新的光子晶元技術，超越傳統計算機的量子計算機10年之內就可能誕生。[1]

量子計算之所以能快速高效地並行運算，除了因為量子態疊加性之外，還因為量子相干性。量子相干性是指量子之間的特殊聯繫，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那麼根據動量和能量守恆定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯繫就是量子相干性。可以把量子相干性應用於存儲當中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一髮而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算就緣於此。

普通的數字計算機在0和1的二進位系統上運行，稱為「比特」（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子位（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。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態的總和來描述。

量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計算機大規模運算的方式其實就類似於普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的。

相應於經典計算機，量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特（qubits）），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的玄正變換。

1、量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

2、量子計算機中的變換為所有可能的玄正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。

由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。

無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。在實際系統中量子相干性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干（也稱「退相干」）。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。

量子計算機

1、量子計算機可以進行大數的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。

2、在利用EPR對進行量子通訊的實驗中中我們發現，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。

3、此外量子計算機還可以用來做量子系統的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者採用蒙特卡羅方法在經典計算機上做數值計算，便可精確地研究量子體系的特徵。量子計算機還可以測量星體精確坐標、快速計算不規則立體圖形體積、精確控制機器人或人工智慧等需要大規模、高精度的高速浮點運算的工作。

量子計算機

1.20世紀後半葉計算機技術大行其道，人類進入信息時代。隨著計算機晶元的集成度越來越高，元件越做越小，集成電路技術現在正逼近其極限，科學家們看到傳統的計算機結構必將有終結的一天，而且儘管計算機的運行速度與日俱增，但是有一些難題是計算機根本無法解決的，例如大數的因式分解，理論上只要一個數足夠大，這個難題夠目前最快的計算機忙幾億年的。

早先由理查德?費曼提出量子計算機，一開始是從物理現象的模擬而來的。可他發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德?費曼當時就想到，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。[2]

2、一些先驅者，如美國IBM公司的CharlesH.Bennett等人就開始研究信息處理電路未來的去向問題，他們指出，當計算機元件的尺寸變得非常之小時，我們不得不面對一個嚴峻的事實：必須用量子力學來對它們進行描述。八十年代初期，一些物理學家證明一台計算機原則上可以以純粹的量子力學的方式運行，之後很長一段時間，這一研究領域漸趨冷清，因為科學家們不能找到實際的系統可供進行量子計算機的實驗，而且還尚不清楚量子計算機解決數學問題是否會比常規計算機快。

3、20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的晶元發熱，極大地影響了晶元的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那麼在量子力學中，它就可以用一個玄正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。

4、在1980年代多處於理論推導等紙上談兵狀態。一直到1994年彼得?秀爾（PeterShor）證明量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機，提出量子質因子分解演算法後，因其對於現在通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題。除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。幾年後Grover提出「量子搜尋演算法」，可以破譯DES密碼體系。於是各國政府紛紛投入大量的資金和科研力量進行量子計算機的研究，如今這一領域已經形成一門新型學科-量子信息學。

5、用原子實現的量子計算機只有5個q-bit，放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設備，只能做1+1=2的簡單運算，正如Bennett教授所說，「現在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以後」，中國量子信息專家中國科技大學的郭光燦教授則宣稱，他領導的實驗室將在5年之內研製出實用化的量子密碼。科學技術的發展過程充滿了偶然和未知，就算是物理學泰斗愛因斯坦也決不會想到，為了批判量子力學而用他的聰明大腦假想出來的EPR態，在六十多年後不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計算機。

6、2012年3月1日據美國物理學家組織網報道，IBM研究院的科學家在提高量子計算裝置性能方面取得重大進展。他們做到了在減少基本運算誤差的同時保持量子比特的量子機械特性完整性，從而進一步加快研製全尺寸實用量子計算機的步伐。

IBM的量子計算機採用一個含5個氟原子的分子

截止到2012年10月，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。

已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經典計算機無法解決的問題。

由英國布里斯托爾大學領導的國際研究小組日前成功研製出速度更快、信息存儲量更大的光粒子（以下簡稱光子）晶元，為量子計算開闢了新道路。科學家相信，人類有望製造出量子計算機，實現傳統計算機無法完成的複雜運算。

量子理論

量子論的一些基本論點顯得並不「玄乎」，但它的推論顯得很「玄」。我們假設一個「量子」距離也就是最小距離的兩個端點A和B。按照量子論，物體從A不經過A和B中的任何一個點就能直接到達B。換句話說，物體在A點突然消失，與此同時在B點出現。除了神話，你無法在現實的宏觀世界找到一個這樣的例子。量子論把人們在宏觀世界裡建立起來的「常識」和「直覺」打個了七零八落。

薛定諤貓是關於量子理論的一個理想實驗。實驗內容是：這隻貓十分可憐，它被封在一個密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個鎚子，鎚子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動電子開關，鎚子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。這個殘忍的裝置由奧地利物理學家埃爾溫?薛定諤所設計，所以此貓便叫做薛定諤貓。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於非死非活的疊加態，這與我們的日常經驗嚴重相違。

經典計算機的特點

1、其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進位序列0110110，用量子記號，即|0110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加態：C1|0110110>+C2|1001001>。

2、經典計算機內部的每一步變換都演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

量子比特

三個量子比特的系統

1、量子計算機具有特大威力的根本原因在於構成量子計算機的基本單元-量子比特（q-bit），它具有奇妙的性質，這種性質必須用量子力學來解釋，因此稱為量子特性。為了更好地理解什麼是量子比特，讓我們看看經典計算機的比特與量子計算機的量子比特有什麼不同。我們現在所使用的計算機採用二進位來進行數據的存儲和運算，在任何時刻一個存儲器位代表0或1，例如在邏輯電路中電壓為5V表示1，0V表示0，如果出現其他數值計算機就會以為是出錯了。

2.量子比特是由量子態相干疊加而成，一個具有兩種狀態的系統可以看作是一個「二進位」的量子比特，對量子力學有了解的人都知道，在量子世界裡物質的狀態是捉摸不定的，如電子的位置可以在這裡同時也可以在那裡，原子的能級在某一時刻可以處於激發態，同時也可以處於基態。我們就採用有兩個能級的原子來做量子計算機的q-bit。規定原子在基態時記為|0〉，在激發態時原子的狀態記為|1〉，而原子具體處於哪個態我們可以通過辨別原子光譜得以了解。微觀世界的奇妙之處在於，原子除了保持上述兩種狀態之外，還可以處於兩種態的線性疊加，記為|φ〉=a|1〉+b|0〉，其中a，b分別代表原子處於兩種態的幾率幅。如此一來，這樣的一個q-bit不僅可以表示單獨的「0」和「1」（a=0時只有「0」態，b=0時只有「1」態），而且可以同時既表示「0」，又表示「1」（a，b都不為0時）。

3、 舉一個簡單的例子，假如有一個由三個比特構成的存儲器，如果是由經典比特構成則能表示000，001，010，011，100，101，110，111這8個二進位數，即0~7這8個十進位數，但同一時刻只能表示其中的一個數。若此存儲器是由量子比特構成，如果三個比特都只處於|0〉或|1〉則能表示與經典比特一樣的存儲器，但是量子比特還可以處於|0〉與|1〉的疊加態，假設三個q-bit每一個都是處於(|0〉+|1〉)/(√2)態，那麼它們組成的量子存儲器將表示一個新的狀態，用量子力學的符號，可記做：|0〉|0〉|0〉+|0〉|0〉|1〉+|0〉|1〉|0〉+|0〉|1〉|1〉+|1〉|0〉|0〉+|1〉|0〉|1〉+|1〉|1〉|0〉+|1〉|1〉|1〉不難看出上面這個公式表示8種狀態的疊加，既在某一時刻一個量子存儲器可以表示8個數。

量子演算法

中國開展量子計算機研製所使用的部分設備

1、量子計算機如何對這些態進行運算。假設現在我們想求一個函數f(n)，(n＝0~7)的值，採用經典計算的辦法至少需要下面的步驟：存儲器清零→賦值運算→保存結果→再賦值運算→再保存結果。

2、對每一個n都必須經過存儲器的賦值和函數f(n)的運算等步驟，而且至少需要8個存儲器來保存結果。如果是用量子計算機來做這個題目則在原理上要簡潔的多，只需用一個量子存儲器，把各q-bit製備到(|0〉 +|1〉 )/(√2)態上就一次性完成了對8個數的賦值，此時存儲器成為態|φ〉 ，然後對其進行相應的幺正變換以完成函數f(n)的功能，變換後的存儲器內就保存了所需的8個結果。這種能同時對多個態進行操縱，所謂「量子並行計算」的性質正是量子計算機巨大威力的奧秘所在。

3、具體的問題這就要要採用相應的量子演算法，例如Shor提出的大數因式分解演算法，和Grover的量子搜索演算法漂亮地解決了兩類問題。按照Shor演算法，對一個1000位的數進行因式分解只需幾分之一秒，同樣的事情由目前最快的計算機來做，則需10年！而Grover的搜索演算法則被形象地稱為「從稻草堆中找出一根針」！儘管量子演算法已經很多了，但是截止到2012年真正的量子計算機才只做到5個q-bit，只能做很簡單的驗證性實驗。

4、除了最基本的量子位，量子計算，量子超空間傳送等概念，在量子計算機的研究中還有許多有趣的現象和新的概念，如量子編碼，量子邏輯門和量子網路，量子糾纏交換等。[3]
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