量子電腦

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什麼是量子電腦

  量子電腦是一類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。當某個裝置處理和計算的是量子信息,運行的是量子演算法時,它就是量子電腦。量子電腦是一個多學科交叉融合的產物。[1]

量子電腦的興起[1]

  電腦將人類從煩瑣而枯燥的計算中解脫出來,構成了遍佈全球的網際網路,拉近了人和人之間的距離,給我們的社會帶來了翻天覆地的變化。但是今天看到一臺台擺在桌子上、拎在手中的微型電腦,它的過去和未來都是難以想象的150年前,第一批電腦問世,每台都有一問屋子大;到今天,有了奔騰系列的更新換代,運算速度更是以指數上升,但仍難以滿足大規模高速度的運算要求。例如,用現在的集成電路式的傳統電腦去給一個400位的數字分解因式,將需要十億年的時間。人們都在思考、盼望下一代電腦,它到底在哪裡?近十幾年研究的量子電腦掀起了新一輪的電腦革命,它只需一年就可完成上述任務,效率是今天的十億倍。

  1982年,諾貝爾獎獲得者——物理學家Richand Feynman想出了“量子電腦”的概念,那:是一種利用量子機械的影響作為優勢的電腦。有一段時間,”量子電腦”的想法主要僅僅停留在理論興趣階段,但最近的發展令這個想法引起了每一個人的註意。其中一個進步就是一種在量子電腦上計算大量數據的演算法的發明,由Peter Shot(貝爾實驗室)設計。通過使用這種演算法,一臺量子電腦破解密碼可以比任何普通f典型)電腦都要快。事實上,一臺能夠實現Shor演算法的量子電腦能夠在大約幾秒內破解當今任何密碼技術。在這種演算法的推動下,量子電腦的話題開始集中在動力上,全世界的研究人員都爭當第一個製造出實用量子電腦的人。

從電腦到量子電腦[1]

  目前的電腦是通過控制位、二進位數字來實現的,二進位,每一位代表了0或1,在現實世界中(如電子開關的開和關,某物在某地或者不在某地等等這樣的兩種狀態)可以分別用電腦中的0和1來表徵。但是,量子電腦並沒有被經典物理世界所限制。量子電腦是以量子態作為信息的載體,信息單位是量子比特,是兩個正交量子態的任意疊加態來實現信息的量子化。簡單地講,量子電腦依賴於對量子位或者說量比特(qubit),量子位等同於昆比特)的觀察,量子位可能代表了一個0或者一個1,也可能代表了二者的結合,或者可能代表了在0和1之間的一種狀態。為什麼研究者們如此努力地希望研製出一臺實際的量子電腦呢?這裡有幾個原因:首先,原子改變能量狀態極快——比現在最快的電腦處理器(CPU)都要快得多。其次,考慮到問題的類型,每個qubit能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的電腦。現在的關鍵問題是要找到量子電腦能夠解決的合適問題。如果試圖把量子電腦做成適合日常使用的放在我們桌面上的電腦是不太現實的,因為它們不是很適合做類似文字處理和收發E-mail的工作。另一方面,大規模的加密術是量子計算的很好思路。另外,大規模資料庫的建模和檢索也是量子電腦能勝任的工作。正是為了這些大規模的應用,科學家們才堅持對量子電腦的研究。

  早期的量子電腦實際上是用量子力學語言描述的經典電腦,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)。在經典電腦中,基本信息單位為比特,運算對象是各種比特序列。與此類似,在量子電腦中,基本信息單位是量子比特,運算對象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上.而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態,不僅提供了量子並行計算的可能,而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典電腦不同,量子電腦可以做任意的么正變換,在得到輸出態後進行測量得出計算結果。因此,量子計算對經典計算作了極大的擴充。在數學形式上,經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子電腦對每一個疊加分量進行變換,所有這些變換同時完成,並按一定的概率幅疊加起來,給出結果,這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外,量子電腦的另一重要用途是模擬量子系統,這項工作是經典電腦無法勝任的。

  迄今為止,世界上還沒有真正意義上的量子電腦。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。目前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電腦一樣。研究量子電腦的目的不是要用它來取代現有的電腦。量子電腦使計算的概念煥然一新,這是量子電腦與其他電腦(如光電腦和生物電腦等)的不同之處。量子電腦的作用遠不止是解決一些經典電腦無法解決的問題。

量子電腦的應用前景[2]

  量子電腦的研究為信息技術的發展開闢了新的途徑。量子電腦的作用遠不止是解決一些經典電腦無法解決的問題。如前所述,與經典電腦相比,量子電腦最重要的優越性體現在量子並行計算上。量子電腦的另一重要用途是模擬量子系統,這項工作也是經典電腦無法勝任的。目前,研究人員正在加快步伐製造量子電腦。如果一臺實際的量子電腦研製成功並投入應用,電腦的應用得到全新的改變。首先,原子改變能量狀態極快——比現在最快的電腦處理器(CPU)都要快得多。其次,考慮到問題的類型,每個qubit能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的電腦。另一方面,大規模的加密術是量子計算的很好思路,另外,大規模資料庫的建模和檢索也是量子電腦能勝任的工作。業已證明,量子電腦可以攻破現在廣泛使用的公開密鑰RSA體系,量子密碼原則上可提供不可竊算等優點,預計量子信息技術在本世紀將發揮重要作用。聽、不可破譯的保密通信,量子通信網路具有安全、多端計算等優點 ,預計量子信息技術在本世 紀將 發揮重要作用 。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 高逸鵬.量子電腦的現在與未來(A).山西煤炭管理幹部學院學報.2007,2
  2. 莫露潔.量子電腦的研究與應用綜述(A).桂林航天工業高等專科學校學報.2008,1
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評論(共2條)

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徐柳富 (討論 | 貢獻) 在 2016年4月5日 01:04 發表

還是沒有看明白,只明白了並行計算是非常不錯的,但是想起原子彈這麼厲害,量子電腦也許是更加厲害的發明,即將解決一切疑難問題,什麼大規模不可能工程都將輕而易舉了吧,視野極大,思維極大打破常規,一切文明或許都將丟得一無所有,只需要量子作為奠基發明的一切美好。

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120.42.90.* 在 2017年5月15日 16:49 發表

徐柳富 (討論 | 貢獻) 在 2016年4月5日 01:04 發表

還是沒有看明白,只明白了並行計算是非常不錯的,但是想起原子彈這麼厲害,量子電腦也許是更加厲害的發明,即將解決一切疑難問題,什麼大規模不可能工程都將輕而易舉了吧,視野極大,思維極大打破常規,一切文明或許都將丟得一無所有,只需要量子作為奠基發明的一切美好。

想像一下,你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個字母“X”,這幾乎是不可能的,因為那裡有5000萬冊書。但是如果你處於5000萬個平行現實中,每個現實都可以查看不同的書籍,你肯定能在其中某個現實中找到這個“X”。在這個假設中,普通電腦就是像瘋子一樣的那個你,需要5分鐘內找遍儘可能多的書。而量子電腦卻能將你複製出5000萬個,每個只需翻找一本書即可。

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