量子计算机发展带来的思考

计算与能量的关系
❖由热力学定律知, 计算的另一个资源是能量。经典 计算作为一种机械的过程与能量的消耗是有关联 的。在现代的经典计算中, 计算机消耗电能看似平 常, 亦很少有人研究经典计算与能量的关系。然而 在量子计算当中, 理论上计算是不消耗任何能量的 。
需要特别指出！
三、抢占量子计算机研制的高地
量
子
计
算
——
机
发
科展
学带
技 术 的
来 的
创思
新考
与
发
展
摘要：
❖ 引言 ❖ 伟大的创新源于理论 ❖ 抢占量子计算机研制的高地 ❖ 科学的发展源于需求（量子计算机强大的功能） ❖ 感想
量子计算机发展带来的思考
一、引言：
❖国外究竟为什么能发明出这些各式各样的计算机 呢？这些意味着什么呢？
❖作为即将腾飞的的大国怎样学会这种创新，怎样 在量子信息发展的初期占领这块高地，成为世界 科技的引领者？ 在阅读一些文献、论文和熟悉量子信息特别 是量子计算机的发展的基础上我做了一些总结和 思考，希望和大家共同分享、探讨上面提出的问 题。
Hale Waihona Puke Baidu
1.3量子图灵机
现在的运算结果不再按概率叠加，而是按概率 振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起本 质性的作用，这是实现量子并行计算的关键．
任何算法过程都可用 概率图灵机进行有效 模拟。
2、物理学基础（量子力学）
❖从物理观点看, 计算机是一个物理系统, 计算过程 是一个物理过程。量子计算机是一个量子力学系 统, 量子计算过程就是这个量子力学系统内量子态 的演化过程。量子力学中与量子计算关系最为密 切的两个特性是叠加态与纠缠态。 ▪ 量子态相干性 ▪ 量子态叠加性 ▪ 量子不可克隆定理
二、伟大的创新源于理论
❖ 计算理论 ❖ 物理学基础（量子力学） ❖ 第一次的融合（量子计算机与可逆计算）
1、计算理论
1.1什么是计算 广义上讲，一个函数变化如把x变成了f(x)就
是一个计算！计算就是某个系统完成了一次从输 入到输出的变换！
因而计算无处不在！也的确，正是采取了这 样的观点，我们才可以想到发明什么DNA计算机 、生物计算机、量子计算机这些新鲜玩艺！因为 大家把DNA的化学反应、量子世界的波函数变换 都看作是计算了，自然就会人为地把这些计算组 合起来构成计算机了。
3、第一次的融合（量子计算机与可逆计算）
可以！
Bennett 后来更严格地考 虑了此问题，并证明了， 所有经典不可逆的计算机 都可以改造为可逆计算机， 而不影响其计算能力．
在量子力学中．它就可以用一个幺 正变换来代表．Benioff 最早用量 子力学来描述可逆计算机．在量子 可逆计算机中，比特的载体成为二 能级的量子体系，体系处于{0>和 {1>上，但不处于它们的叠加态．
1、计算理论
1.2图灵机
所谓的图灵机就是指一个抽象 的机器，它有一条无限长的纸 带，纸带分成了一个一个的小 方格，每个方格有不同的颜色。 有一个机器头在纸带上移来移 去。机器头有一组内部状态， 还有一些固定的程序。在每个 时刻，机器头都要从当前纸带 上读入一个方格信息，然后结 合自己的内部状态查找程序表， 根据程序输出信息到纸带方格 上，并转换自己的内部状态， 然后进行移动。
2、硬件设计（量子逻辑门的实现）
2.3量子计算的困难及其克服途径
❖ Shor在此方向取得一个本质性的进展，这就是量 子纠错的思想。量子纠错是经典纠错码的量子类 比。
3、软件
3.1量子算法 ❖量子计算必须有高效的量子算法才能发挥其计算
优势。量子并行原理虽然可以仅通过一次变换产 生所有计算结果, 然而测量时只能得到一个结果, 而且不能选择所需的结果。量子算法的中心思想 是利用量子态的相干性, 使客观所需的结果增强, 同时使非所需的结果减弱, 这样客观所需的结果在 测量时就会以相当高的概率出现。 ❖ Geove算法 ❖ Shor算法
1、计算理论
1.2通用图灵机 对图灵机的计算能力的估价目前一般以强
Church-Turing论题为据:任何算法过程都可以 用图灵机进行有效模拟。
由于随机算法的引人Church-Turing强论 题后来被修改为更强的论题:任何算法过程都可用 概率图灵机进行有效模拟。
1、计算理论
1.3量子图灵机 当q,s给定时，图灵机以一定的概率 δ(q,s,q，,s，,d)变换到状态q，,s，及实行运动d 为概率图灵机。 现在q,s,q, ,s, 相应地变成了量子态，而概率函数 δ(q,s,q，,s，,d)则变成了取值为复数的概率振幅 函数δ(q,s,q，,s，,d)，量子图灵机的性质由概率 振幅函数确定。
3、第一次的融合（量子计算机与可逆计算）
❖量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而 研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题
能耗产生于计算过程中的不可逆操作．例如，对 两比特的异或操作，因为只有一比特的输出，这 一过程损失了一个自由度。因此是不可逆的，按 照热力学，必然会产生一定的热量。
但这种不可逆性是不是不可避免的吗?
❖ 理论研究 ❖ 硬件设计（量子逻辑门的实现） ❖ 软件
1、理论研究
❖理论上已证明量子图灵机可以等价为一个量子逻 辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来
构成量子计算机．
❖ Barenco等人证明，一个二比特的异或门和对一 比特进行任意操作的门可构成一个通用量子门集
。相对来说，单比特逻辑门在实验上比较容易实
2、硬件设计（量子逻辑门的实现）
2.2 几种方案 ❖利用原子和光腔的相互作用
❖利用冷阱束缚离子
❖利用电子或核自旋共振
2、硬件设计（量子逻辑门的实现）
2.3量子计算的困难及其克服途径 ❖量子计算的优越性主要体现在量子并行处理上，
无论是量子并行计算还是量子模拟，本质性地利 用了量子相干性． 但不幸的是，在实际系统中，量子相干性却很难 保持．消相干(即量子相干性的衰减)主要源于系 统和外界环境的耦合． Unruh定量分析了消相干效应，结果表明，量子 相干性的指数衰减不可避免．Unruh的分析揭示 了消相干的严重性，这一结果无疑是对量子计算 机的信奉者的当头一棒．
现，现在的不少实验方
案都集中干制造量子 异或门。
重视基础理 论的研究
2、硬件设计（量子逻辑门的实现）
2.1基本要求 ❖可扩展的、具有良好特性的量子位系统 ❖能够初化量子位为某个基态 ❖具有足够长的相干时间来完成量子逻辑门操作 ❖能够实现一套通用量子逻辑门操作 ❖能够测量量子位 ❖能够使活跃量子位和静止量子位互相转化 ❖能够使活跃量子位准确地在不同的位置之间传送