量子计算机

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什么是量子计算机

  量子计算机是一类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。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机是一个多学科交叉融合的产物,相对于现有的计算机而言,量子计算机的计算速度要快很多倍。[1]

量子计算机的兴起[1]

  计算机将人类从烦琐而枯燥的计算中解脱出来,构成了遍布全球的因特网,拉近了人和人之间的距离,给我们的社会带来了翻天覆地的变化。但是今天看到一台台摆在桌子上、拎在手中的微型计算机,它的过去和未来都是难以想象的150年前,第一批计算机问世,每台都有一问屋子大;到今天,有了奔腾系列的更新换代,运算速度更是以指数上升,但仍难以满足大规模高速度的运算要求。例如,用现在的集成电路式的传统计算机去给一个400位的数字分解因式,将需要十亿年的时间。人们都在思考、盼望下一代计算机,它到底在哪里?近十几年研究的量子计算机掀起了新一轮的计算机革命,它只需一年就可完成上述任务,效率是今天的十亿倍。

  1982年,诺贝尔奖获得者——物理学家Richand Feynman想出了“量子计算机”的概念,那:是一种利用量子机械的影响作为优势的计算机。有一段时间,”量子计算机”的想法主要仅仅停留在理论兴趣阶段,但最近的发展令这个想法引起了每一个人的注意。其中一个进步就是一种在量子计算机上计算大量数据的算法的发明,由Peter Shot(贝尔实验室)设计。通过使用这种算法,一台量子计算机破解密码可以比任何普通f典型)计算机都要快。事实上,一台能够实现Shor算法的量子计算机能够在大约几秒内破解当今任何密码技术。在这种算法的推动下,量子计算机的话题开始集中在动力上,全世界的研究人员都争当第一个制造出实用量子计算机的人。

从计算机到量子计算机[1]

  目前的计算机是通过控制位、二进制数字来实现的,二进制,每一位代表了0或1,在现实世界中(如电子开关的开和关,某物在某地或者不在某地等等这样的两种状态)可以分别用计算机中的0和1来表征。但是,量子计算机并没有被经典物理世界所限制。量子计算机是以量子态作为信息的载体,信息单位是量子比特,是两个正交量子态的任意叠加态来实现信息的量子化。简单地讲,量子计算机依赖于对量子位或者说量比特(qubit),量子位等同于昆比特)的观察,量子位可能代表了一个0或者一个1,也可能代表了二者的结合,或者可能代表了在0和1之间的一种状态。为什么研究者们如此努力地希望研制出一台实际的量子计算机呢?这里有几个原因:首先,原子改变能量状态极快——比现在最快的计算机处理器(CPU)都要快得多。其次,考虑到问题的类型,每个qubit能代替一个完备的处理器——这意味着1000个钡离子能代替一个有1000个处理器的计算机。现在的关键问题是要找到量子计算机能够解决的合适问题。如果试图把量子计算机做成适合日常使用的放在我们桌面上的计算机是不太现实的,因为它们不是很适合做类似文字处理和收发E-mail的工作。另一方面,大规模的加密术是量子计算的很好思路。另外,大规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。正是为了这些大规模的应用,科学家们才坚持对量子计算机的研究。

  早期的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。

  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。

量子计算机的应用前景[2]

  量子计算机的研究为信息技术的发展开辟了新的途径。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。如前所述,与经典计算机相比,量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作也是经典计算机无法胜任的。目前,研究人员正在加快步伐制造量子计算机。如果一台实际的量子计算机研制成功并投入应用,计算机的应用得到全新的改变。首先,原子改变能量状态极快——比现在最快的计算机处理器(CPU)都要快得多。其次,考虑到问题的类型,每个qubit能代替一个完备的处理器——这意味着1000个钡离子能代替一个有1000个处理器的计算机。另一方面,大规模的加密术是量子计算的很好思路,另外,大规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。业已证明,量子计算机可以攻破现在广泛使用的公开密钥RSA体系,量子密码原则上可提供不可窃算等优点,预计量子信息技术在本世纪将发挥重要作用。听、不可破译的保密通信,量子通信网络具有安全、多端计算等优点 ,预计量子信息技术在本世 纪将 发挥重要作用 。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 高逸鹏.量子计算机的现在与未来(A).山西煤炭管理干部学院学报.2007,2
  2. 莫露洁.量子计算机的研究与应用综述(A).桂林航天工业高等专科学校学报.2008,1
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评论(共2条)

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徐柳富 (Talk | 贡献) 在 2016年4月5日 01:04 发表

还是没有看明白,只明白了并行计算是非常不错的,但是想起原子弹这么厉害,量子计算机也许是更加厉害的发明,即将解决一切疑难问题,什么大规模不可能工程都将轻而易举了吧,视野极大,思维极大打破常规,一切文明或许都将丢得一无所有,只需要量子作为奠基发明的一切美好。

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120.42.90.* 在 2017年5月15日 16:49 发表

徐柳富 (Talk | 贡献) 在 2016年4月5日 01:04 发表

还是没有看明白,只明白了并行计算是非常不错的,但是想起原子弹这么厉害,量子计算机也许是更加厉害的发明,即将解决一切疑难问题,什么大规模不可能工程都将轻而易举了吧,视野极大,思维极大打破常规,一切文明或许都将丢得一无所有,只需要量子作为奠基发明的一切美好。

想像一下,你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”,这几乎是不可能的,因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中,每个现实都可以查看不同的书籍,你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中,普通计算机就是像疯子一样的那个你,需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个,每个只需翻找一本书即可。

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