量子计算机发展简史

量子计算机发展简史

原著：Simon Bone & Matias Castro 翻译：bianca 2003年3月26日

内容摘要

听起来好像有点奇怪，计算机的未来可以被建筑在一杯咖啡周围。那些咖啡因分子恰巧是构建“量子计算机”－－一种能够保证提供可在几秒钟内破解密码的思想回应功能的新型计算机的可能组成部件。

内容目录

1.介绍

1.1量子计算机的基本要素

1.2量子计算机的缺点－－(电子)脱散性

1.3取得结果

2.通用计算的理论

2.1加热流失的信息

2.2通用量子计算机

2.3人工智能

3.建立一台量子计算机

3.1量子点

3.2计算流体

4.量子计算机的应用

4.1Shor算法－－Shor的算法－－一个范例

4.2Grover算法

4.3量子机械系统的模拟

5.量子通讯

5.1量子通讯是如何工作的

5.2量子比特的任务

6.当今进展及未来展望

7.结论

8.术语表

9.参照表

9.1书籍

9.2人物

9.3杂志文章

9.4网页

1.介绍

经常会有能使计算机的性能大大改善的新技术出现。从晶体管技术的引进，到超大规模集成电路的持续性发展，科技进步的速度总是如此无情。近日来，现代处理器中晶体管体积的减小成为计算机性能改进的关键所在。然而，这种不断的减小并不能够持续很长的时间。如果晶体管变得太小，那种对量子机械的未知影响将会限制它的性能。因此，看起来这些影响会限制我们的计算机技术，它们真的会吗？在1982年，诺贝尔奖获得者－－物理学家Richard 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 Shor(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(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。

1.1量子计算机的基本要素

在计算机的经典模型中，最基础的构建要素－－比特，只能存在于两种截然不同的状态之一：0或是1。在量子计算机中，规则改变了。一个原子比特－－经常被简称为“量比”(quantum bit) －－不仅仅存在于传统的0和1状态中，还可以是一种两者连续或重叠状态。当一个量比处于这种状态时，它可以被认为存在于两种领域中：一种为0，而另外一种为1。一个基于这种量比的操作能够同时有效地影响两个值。因此，极为重要的一点是：当我们在量比上实行单一操作时，我们是在针对两种不同的值进行的。类似的，一个双量比系统能对4个值进行操作，而一个三量比系统就是8个值。因此，增加量比的数目能够以指数方式增加我们从系统获得的“量子并行效应”(量子并行效应)。在拥有正确算法类型的情况下，它能通过这种并行效应以远低于传统计算机所花费的时间内解决特定的问题。

1.2量子计算机的缺点－－(电子)脱散性

使量子计算机如此强大的关键要点是，它对受量子机械规律决定的奇异的亚原子事件的依赖，而这也使它非常脆弱和难以控制。例如，假想一个处于连续状态的量比。一旦它和环境发生了可调节的相互影响，它就将脱散并落入两种传统状态中的一种，这就是脱散性问题。它已经成为了量子计算机作为建立在由连续性状态所带来的量子并行效应上的潜在力量的绊脚石。这个问题很复杂，即使只是看看量比也会引起它的脱散，这使从一台量子计算机获得结果的过程像量子计算机自己做运算一样难。

1.3取得结果

当一个利用量子并行效应的计算执行后，不同的领域将会得到许多不同的结果。事实上，我们只能通过关注各种结果之间的冲突来获得一个计算的结果。值得注意的是：关注一台量子计算机的结果(或者任何中间状态)将会阻止任何不同版本之间进一步冲突的发生。例如，可以阻止任何有用的量子计算继续进行。这种冲突可以用一个简单的例子来表明：在托马斯.杨(Young)的双缝干涉试验中，光通过两条平行细缝照向屏幕。展现在屏幕上的明暗条纹的图案是相长和相消的结果。用类似的方法，每种状态的计算结果都相长和相消出一个可以测量的结果。这个结果对于不同的算法有着不同的重要性，并且可以用于手工推算问题结果(例如：见Shor's algorithm - An example)。

图1 托马斯.杨(Young)的双缝干涉试验演示了光子的干涉。

2.通用计算的理论

所有计算机，从Charles Babbage的分析解析机(analytical engine)(1936)到建立在PC基础上的Pentium(tm)，它们的共性之一，是在Alan Turing的著作中所阐述的古典计算理论。事实上，Turing的著作描述了通用的图灵机的概念，一种非常简单的计算机模型，它能

够被设计用来执行任何被自然地认为可计算的操作。所有的计算机都必然能够实现通用图灵机。尽管它们中的有些可能比其它的更快、更大或更昂贵，但它们在功能上是相同的，它们都能执行同样的计算任务。

2.1加热流失的信息

大量的时间都被花费在研究量子理论是否在计算机器上设置了基本限制。结论是，现在普遍相信：物理学并未在计算机器速度、可靠性和记忆容量上设置任何绝对的限制。然而，有一点需要考虑的是，信息可能在计算过程中被丢失。为了使一台计算机能够运行得快，它的操作必须是可逆的。(例如，它的输入必须完全可以从它的输出推出来)。这是因为不可逆的计算将会引起一种可换算成熵的信息的丢失，因此，系统散热的有限能力将会反过来限制计算机的性能。一个信息丢失的例子是一种常见的与门。一个与门有两个输入而只有一个输出，这就意味着在从输入门移动到输出门的过程中，我们损失了一比特的信息。

1976年，Charles Bennett证明了可以利用非门建立一种通用计算机，这种计算机在表示具有原始可逆操作的程序时不会降低它的速度。而有一种合适而且通用的非门可以用来制造计算机－－Toffoli门(见图2)。

图2Toffoli门的输入是完全可以从它的输出推断出来的。

2.2通用量子计算机

Church-Turing理论：“存在或者可以制造一种计算机，这种计算机能够被设计进行任何自然物体能够进行的计算。”

在量子计算理论中，已经取得了一系列重大进步。第一个是由Richard Feynman在1982年发现的：一个简单级别的通用模拟器能够模拟任何既定的自然物体的行为。1984年，David Albert做出了第二个发现：他描述了一种“自我调节量子机器人”，这种机器人能够执行任何传统计算机都无法模仿的任务。通过指导这种机器人进行自我调节，它能够获得仅靠从外界环境进行度量绝对无法获得的“主观”信息。最后而且可能也是最重要的