量子计算机简介

现在我们规定原子在基态时记为 |0〉，在激发态 时原子的状态记为 |1〉 ，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 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 |φ〉=a |1〉+ b |0〉 ，其中a，b分别代表原子处于两种 态的几率幅。如此一来，这样的一个q-bit不仅可 以表示单独的“0”和“1”（a=0时只有“0”态， b=0时只有“1”态），而且可以同时既表示“0”， 又表示“1”（a,b都不为0时）。

与传统计算机相比首 先它没有传统计算机 的盒式外壳，看起来 象是一个被其他物质 包围的巨大磁场。其 次它不能象现在计算 机那样利用硬盘实现 信息的长期存储。但 它有自身独特的优点， 吸引众多的国家和实 体投入巨大的人力、 物力去研究。

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。

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

举一个简单的例子，假如 有一个由三个比特构成的 存储器，如果是由经典比 特构成则能表示000，001， 010，011，100，101， 110，111这8个二进制数， 即0~7这8个十进制数，但 同一时刻只能表示其中的 一个数。若此存储器是由 量子比特构成，如果三个 比特都只处于 |0〉或 |1〉 则能表示与经典比特一样 的存储器，但是量子比特 还可以处于 |0〉与 |1〉的 叠加态，假设三个q-bit每 一个都是处于( |0〉+ |1〉) / (√2) 态。

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８个月，而要分解一个140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。

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。

而量子计算机却完全不同，它以量子力学 为基础，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。

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。

我们通过给粒子加一 个数值固定的外磁场， 因它们有不同的极化 方向和自旋取向，从 而能够在磁场中以某 种特定状态存在，如 果在此基础上在加一 个交变电场，改变频 率便可有效控制粒子 的运动，使之一种运 原子在磁场中的不同取向 动形式代表一个数据。

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 ）。在常温下形成量子态。

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。

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。

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 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 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， 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 十厘米的人造卫星。

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——量子比 特（q-bit），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 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。 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0或 1，例如在逻辑电路中电压为5V表示1，0V表示0， 如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。
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。

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 算机，生物计算机，量子计算机是前景最 光明的三方面。

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
量子计算机
制作人：光信 0210027 郭龙 光信 0210371 朱超凡

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。
南开之星

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。

Hale Waihona Puke 假设现在我们想求一个函数f(n)，(n＝0~7) 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。

如果是用量子计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 |φ〉，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。

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”。

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。