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1、量子计算机制作人：光信 0210027 郭龙 光信 0210371 朱超凡1 1 南开之星南开之星l l 当今社会，人们越来越离不开计算机。而计算机的运算速度也由当年的8086，8088，到现在的P4，甚至大型计算机。运算速度不断飙升。2 2l l 但由摩尔第一定律电脑芯片每18 个月其上的晶体管翻一番，其主要技术是通过减少导线和元件尺寸来达到的。随着尺寸的不断减小，其电子的量子效应不断增加，以至以经典物理为基础的微电子学在电脑芯片的发展受到不可逾越的瓶颈。据科学家估计2025 电脑芯片的速度将达到物理极限。3 3l l 为了突破计算机的运算速度极限，人们开始不断研发新的计算机芯片，其中光子计
2、算机，生物计算机，量子计算机是前景最光明的三方面。4 4l l 光子计算机是 根据光学空间的多维特性，为计算机设计新的逻辑结构和运算原理。并充分利用光子元件体积小、传送信息速度快的特点，用超高速大容量的光子元件替代目前计算机中使用的硅化学元件，用光导纤维或光波替代普通金属导线。光二极管和光三极5 5l l 生物计算机是通过对生物的脑和神经系统中信息传递、信息处理等原理的进一步研究，设计全新的仿生模式计算机，并与人工智能的研究相互借鉴、共同发展。模拟生物细胞中的蛋白质和酶等物质的产生过程，制造出仿生集成芯片来替代目前计算机中使用的半导体元件。6 6l l 而量子计算机却完全不同，它以量子力学为基
3、础，运用量子信息学，构建一个完全以量子位为基础的计算机芯片。7 7l l与传统计算机相比首与传统计算机相比首先它没有传统计算机先它没有传统计算机的盒式外壳，看起来的盒式外壳，看起来象是一个被其他物质象是一个被其他物质包围的巨大磁场。其包围的巨大磁场。其次它不能象现在计算次它不能象现在计算机那样利用硬盘实现机那样利用硬盘实现信息的长期存储。但信息的长期存储。但它有自身独特的优点，它有自身独特的优点，吸引众多的国家和实吸引众多的国家和实体投入巨大的人力、体投入巨大的人力、物力去研究。物力去研究。8 8l l 首先量子计算机处理数据不象传统计算机那样分步进行，而是同时完成，这样就节省了不少时间，适于
4、大规模的数据计算。它的速度足够让物理学家去模拟原子爆炸和其他的物理过程。9 9l l量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随量子计算机的另一个优点是微型化、集成化。随着信息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着信息产业的高度发展，所有的电子器件都在朝着小型化和高集成化方向发展，而作为传统计算着小型化和高集成化方向发展，而作为传统计算机物质基础的半导体芯片一直是这场运动的领先机物质基础的半导体芯片一直是这场运动的领先者，但由于晶体管和芯片受材料的限制，体积减者，但由于晶体管和芯片受材料的限制，体积减小是有个限度的，最终不能达到原子水平。而每小是有个限度的，最终不能达到原子水平。而每个量子元件尺
5、寸都在原子尺度，由它们构成的量个量子元件尺寸都在原子尺度，由它们构成的量子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，子计算机，不仅运算速度快，存储量大、功耗低，体积还会大大缩小。可以想象一个可以放在口袋体积还会大大缩小。可以想象一个可以放在口袋中的超高速计算机是什么样吗？还有直径只有几中的超高速计算机是什么样吗？还有直径只有几十厘米的人造卫星。十厘米的人造卫星。10 10 最后量子计算机还有一个优点就是，系统的某部分发生故障时，输入的原始数据会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算，运算能力相当于1000 亿个奔腾处理器，运算速度比现有的计算机快100 倍。光学计算机在处理数据的能力上要比电
6、子计算机高1000 多倍，处理信息的速度为每秒10 亿次，接近于人脑的思维能力。11 11l l量子计算机为什么会有这么大的威力呢？其根本量子计算机为什么会有这么大的威力呢？其根本原因在于构成量子计算机的基本单元原因在于构成量子计算机的基本单元量子比量子比特（特（q-bitq-bit），它具有奇妙的性质，这种性质必须），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。机的比特与量子计算机的量子比特有什么不
7、同。我们现在所使用的计算机采用二进制来进行数据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的存储和运算，在任何时刻一个存储器位代表00或或11，例如在逻辑电路中电压为，例如在逻辑电路中电压为5V5V表示表示11，0V0V表示表示00，如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。，如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。12 12l l 而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
8、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。13 13l l现在我们规定原子在基态时记为现在我们规定原子在基态时记为|0|0，在激发态，在激发态时原子的状态记为时原子的状态记为|1|1，而原子具体处于哪个态，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，记为外，还可以处于两种态的线性叠加，记为|=a=a|1|1+b+b|0|0，其中，其中aa，bb分别代表原子处于两种分别代表原子处于两种态
9、的几率幅。如此一来，这样的一个态的几率幅。如此一来，这样的一个q-bitq-bit不仅可不仅可以表示单独的以表示单独的“0”0”和和“1”1”（a=0a=0时只有时只有“0”0”态，态，b=0b=0时只有时只有“1”1”态），而且可以同时既表示态），而且可以同时既表示“0”0”，又表示，又表示“1”1”（a,ba,b都不为都不为00时）。时）。14 14l l 举一个简单的例子，假如 举一个简单的例子，假如有一个由三个比特构成的 有一个由三个比特构成的存储器，如果是由经典比 存储器，如果是由经典比特构成则能表示 特构成则能表示000 000，001 001，010 010，011 011，10
10、0 100，101 101，110 110，111 111 这 这8 8 个二进制 个二进制数，即 数，即07 07 这 这8 8 个十进制数，个十进制数，但同一时刻只能表示其中 但同一时刻只能表示其中的一个数。若此存储器是 的一个数。若此存储器是由量子比特构成，如果三 由量子比特构成，如果三个比特都只处于 个比特都只处于|0|0 或 或|1|1 则能表示与经典比特 则能表示与经典比特一样的存储器，但是量子 一样的存储器，但是量子比特还可以处于 比特还可以处于|0|0 与 与|1|1 的叠加态，假设三个 的叠加态，假设三个q-bit q-bit 每一个都是处于 每一个都是处于(|0|0+|1|
11、1)/(2)/(2)态。态。15 15l l 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16 16l l 假设现在我们想求一个函数f(n)，(n 07)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 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。17 17l l 如果是用量子计
12、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|，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。18 18l l 如果用计算机计算1234X3433，能够在几秒内出结果，但要用它计算4236322 的所有因子并不容易。传统计算机随着处理数据位数的增加所面临的困难线形增加，要分解一个129 位的数字需要1600 台超级计算机联网工作个月，而要分解一个14
13、0 位的数字所需的时间超过了美国的年龄。但是利用一台量子计算机，在几秒内就可得到结果。19 19l l 但是，量子计算机的发展也存在不少因难。目前国际上量子计算机研制的四大技术难关是：量子隐性远程传态测量中的波包塌缩；多自由度系统环境中小系统的量子耗散；量子退相干效应；量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态。20 20l l 其中的多自由度系统环境中小系统的量子耗散，直接影响量子计算机的正确读数。因为在读取的瞬间表示信息的原子状态会发生变化，从而造成各种失真。为了克服这一难点，科学家们发明了一种读取方法核磁共振技术。21 21l l我们通过给粒子加一我们通过给粒子加一个数值固定的外
14、磁场，个数值固定的外磁场，因它们有不同的极化因它们有不同的极化方向和自旋取向，从方向和自旋取向，从而能够在磁场中以某而能够在磁场中以某种特定状态存在，如种特定状态存在，如果在此基础上在加一果在此基础上在加一个交变电场，改变频个交变电场，改变频率便可有效控制粒子率便可有效控制粒子的运动，使之一种运的运动，使之一种运动形式代表一个数据。动形式代表一个数据。原子在磁场中的不同取向 22 22l l 而对于量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态。现在我们可以通过最新的原子芯片技术，利用在硅片上刻蚀金属导线。当其通过电流是在其100 微米上形成磁势阱，从而形成BEC（波色爱因斯坦凝聚）。在常
15、温下形成量子态。23 23l l 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”。24 24l l 到那时会出现一种工业，可以将原子计算设备嵌入到任何东西当中去。不必再像现在这样将一台PC 机放在桌子上，也许到那时候桌子本身就是一台计算机，汽车轮胎可以计算速度和闸动力，医生可以将微型计算机插入到人体血液中以杀死肿瘤细胞管现在这些还只是科学幻想中的故事，但是随着量子计算机的发展，一定会实现的。25 25