量子计算机进展

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１ ８ 香农（ｌｄ ｈ ｎ ） Ｃ ｕ Ｓ ｎ ｎ建立ｆ ９年 ４ ａ ｅ ｏ ａ 现代计 基 算的 础
－ ｛息论。分别利Ｉ电流的通或断、电 ｉ ｌ Ｐ ｌ 庄的高或低等表示
二 进制的 “ ｂ） ， 位”（ｔ和１ 材这些 “ ｉ Ｏ 位”的操作可以进行计 算。量子计算机将 “ 子位”（ ｂ）＞ Ｉ分别与光子的 Ｒ ｑ ｉ０和ｌ ｕｔ １ ＞ 不同偏振态、烦子的不同取向的自旋态、超导体中的电流是 左旋成右旋｝ｋ对应 与经典位不同的是， 一 Ｉ ｌｌ Ｖｌ 个ｍ － 位可处 刊。和｝ 的柱加态 于 ） １ ＞ 是， 对星子位操作 一 次，＃当于对 １ ｌ 经典位操作两次。 这是敏子计算机的 一 个优点 使 量 子计 算机 具 有 更 大优越 性 的是量子 交 缠 （ ｔｇ ｍｎ， ｅａ ｌ ｅ） 相隔很远的两个交缠的２子态具有瞬时相关 ｎｎｅ ｔ 性，例如，改变其中一个的状态，另一个的状态则立即改 变，不论它们相隔多远。两个量子位１ 和｝ 可同时处干４ ０ Ｉ ＞ ＞ 个 不同状态：（＞ ＞， １ ） （＞１） １ ｌ ） ３ １ Ｉ ） （＞ ＞， Ｉ 和（＞ ＞， ０１ １０ １ １ ＞ ００ １ 个量子 位可同时处于８ 个不同状态。ｎ 个量子位可同时处于２ 个不同 状态。 例如，一 ３位的 个 ２ 经典计 算机要进行２次 约 Ｇ ） １ （４ 次操 ２ 作才能完成 一 次计算任务； 一 而 个交缠的３个量子位的量子 ２ 计算机只要进行１ 次操作就能完成。上世纪９年代发现了量 ０ 子计算机的这个潜在的、惊人的巨大优越性。１９年美国的 ９４ 贝尔实验室的Ｐｔ Ｓｏ 得到这种指数效应的一个重要推论 ｅ ｒ ｗ ｅ ｈ （ 称为Ｓｏ 算法） ｈｗ 。保护因特网上业务处理安全的公共密钥加 密系统（ 其安全性是堆于人数因子分解的困难） 在量子计算机 而前无密， ， ｆ 保。虽然现在最先进的越子计算Ｖ 只能对１进 池 ５ 行因子 分解， 但是一此年后，如果实用型的最子计算机能造 出来，那么，因特网就不安全了 。 在快速搜索数据库方而，例如，一个号码锁４ ５ １ 种可能 ２ 的组合，用通常的计算机平均要尝试１ １次才能打开，最 ２ ３ － 坏的情况要尝试２ 次。１ ７ ５ ９ 年美国的贝尔实验室的Ｌｖ ９ ｏ Ｇｏ ｒ 称为Ｇ ｖ 算法） ｒｅ ｖ 证明〔 ａ ｒ ｒｅ ，用量子计算机不需要超过５ 次。一般， 对干Ｎ 种可能的 组合，用 通常的计算 机平均要尝
［ ｏｄ ］ ａｔ ｃ ｐｔｓ ｕｎ ｍ ｔ ｗ ｒｓ ｕｎ ｍ ｍ ｕ ｒ Ｑ ａｔ ｕｉｒ 叩ｅ ｉ ； ｏｅ ｎｅ Ｋｙ ｅ Ｑ ｕ ｏ ｅ ； ｕ ｎａ ｙ ｎ ｏ Ｄ－ ｈｒ ｃ ｎ ｏ ｅ ｃ ｅ
１ 概述 科学和技术 发展史上的许多里程碑是与发现驾驭自 然的 新方法相关。 信息已 成为人类的重耍资源之一。计算机能在 人脑之外处理信息。从物理学观点来看，计算机是位的阵 列，； 将位的一个位形映射为另一个位形的功能。 Ｉ具有 计算 技术从利用结绳记事、算盘、齿轮式计算机到电子计算机， 都是改变物理状态以处理信息。 创建 新一代高性能的、安全的计算工具和通信技术是量 子论和信息论结合的产物。 世界上第一台电子计算机Ｅ ＩＣ ＮＡ 于］ ６ 世。 ０ ９ 年问 ５多年来， ４ 计算机正部分地替代或延伸人类 的脑力劳动， 从质和量的方面迅速改变了人们的工作和生 活。随之而来，人们发现经典计算机的一些局限。 首先， 速度方面，大数因 在计算 子分解的 困难是目 前经 典计算初ＲＡ ６ 公共加密系统的基础。在经典计算机上进行因 Ｓ 子分 所需 解， 运算次数随输入量的大小呈指数次方增长。以 目前世界上运算速度最快的经典巨型计算机（ 千亿次／ 为 ｓ ）
算机。
近年的研究进展表明，应用量子信息的产生、载荷、传
百度文库
例 将２（进 ）数 了进 因 分 ， 法 算 ， ２ 十 制的 从ｔ）行 子 解 除 运 的 位 次 最 为Ｎ”（为１）， 千 次 用 约 要ｓ 数多 ， ０ 即 亿 ， 时 需 Ｉ 约 ｔ 次 ； 对６ 的 则 霭 一 （为１ ）邓６ 数 要 时 ３ 数 约 要 年约 ０ ， 位 需 的 间 位 ， Ｓ 约 当 宇 的 命百 年 约 １＇ 学 证 ， 相 于 宙 寿 （亿 ， 为 ０）数 家 明 这 ｓ ，
ｄｖｏｍ ｎ ｔ ｓ ｌ ｌ ｎ ｐ ｃｃ ｌ ｎ ｍ ｐｔ ｒｐｃｖｌ Ｔｅ ｐｒｏｔ ｐ ｅｉ ｂｅｃｎｎｎ ｅ ｌ ｅｔｍ ａ ｅ ｒｔａｅ ｕ ｔ ｃｍ ｕ ｒｅ ｅ ｉ ｙ ｈ ｌｔ ｆ ａ ｒ ｒｆ ｅｔ ｅ ｐ ｓ ｃ ｂ ａｄ ｉｂ ｑａ ｕ ｏ ｅ ｔｅ ． ａ ａ ｈ ｐ ｓ ｉ ｏｔ ａ ａ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ａ ｉ
播和处理，可能构造高 性能的量子计算 提供全 机， 新的量子 通信手段和原则上绝对不可破译的加密术。 １８年，Ｆｙｍ ｎ ｅｎ ａ提出量子计算｝的概念；１８年， ９２ １ Ｌ ９５ Ｄｕｃ提出量子计算机的第一张蓝图， ｅｓ ｔｈ 将量子力学和信息 处理两个领域结合起来。原则上己证明了 量子计算机将比现 有计算机快得多。 ２世纪３年代。有两篇非常有影响的论文发表。一篇是 ０ ０ １３年爱因斯坦、波托尔斯基和罗歉 简称ＥＲ的论文，它 ９５ Ｐ） 揭示了量子论的奥妙；另一篇是１ ６ ９ 年图灵的关于信息处理 ３ 的论文，它为２世纪最大的（ ０ 计算枷 工业奠定了 基础。
２ ｅａｍ ｎｏＣｍ ｕｒ ｎ ， ｔｌ ｏ ｌ ｅ ｉ） ｅＣｎａ ｈ Ｎ ｒａＵ ｉｒｔ ． ｐｒ ｅｔ ｏ ｐｔ Ｓｉ ｃ ｅ ｒ Ｃ ｉ Ｄ ｔ ｆ ｅ ｃ ｅ ｍ ｍ ｎ ｓｙ ｖ
［ ｔ川 Ｔｉｐ ｅｓ ｍｒｓｄｖｏｍｎ ｏ ｒｅ ｙ ｓ ｕ ｔ ｃｍｕｒｆｍ ｅｍｎｌ ｒｔ ｂ． ｒ ｄｃｏ ｏ Ａｓａ ｈ ａ ｒ ａｚ ｅ ｌ ｅｓ ｅ ｎ ｅ ｏ ｑａｕ ｏｐｔｓ ｅｐｉｅｔ ｔｐｃｃ ｌ Ａｅｉｒ ｕｉ ｆ ｈｒ ｓ ｕ ｉｅ ｅｐ ｔ ｆ ｔ ｏ ｎ ｍ ｅ ｒ ｘ ｒ ａ ｏ ｉ ｅ ｆ ｎ ｔｎ ｐ ｍ ｃ ａ ｏ ａ ｔ ｔ ｏ
几年之后，４子计算机在走向大尺度和实用化的方向 Ｌ ｔ ，在
实验和理沦方面均取得许多Ｉ要进展 Ｔ ｛ ．
本文主要引用美国的Ｓｉｃ和英国的 ａ ｒ ｃｎ ｅｅ Ｎｔｅ ｕ 上发表的实 验和理沦结果，对近年来最子计算机走向实用化的 进程中的 的重要进展作 一 个简要的综述
２不需要盆子交缠的量子计算
－ ７ －
万方数据
对从子 信息论进行探入研究的第 步足１ ４ ９ 年贝尔对 ６ ＥＲ Ｐ效应的分析，提出贝尔下等式。实验方而的爪要一步是 １ ２ ｓｃ ９ 年八ｐ ｔ ８ ｅ 等的实验。结论是凉来有相互作用、以后不再 有相互作用的两个敏子系统之间存在瞬时的超距量子关联， 现在称为址子交缠，或简称交缠， 这是没有经典类似的典型 的最子特性。交缠已经得到实验实现。交缠态发生器作为量 子 器件，已经是一种产品和商品。 墩子 计算机是利川址子 相干 态的 补加和纠缠。为此，它 使川两个１ 子 １ 寄存器。第 一 ： 个为输入寄存器， 二 第 个为输出 寄存器。不同的输入态之间是正交的；不同的输出态之闻也 是正交的。函数的演化由么止演化算符通过量子逻辑门的操 作来实现 单最子位的至子逻辑门实现一个量子位的翻转。两量子 位的量子逻辑门，ｊ中一个是控制位，仑 ｔ ‘确定在什么情况下 日 标位才发生改变；另 一 〕 个是！ 标位， 它确定口 标位如何改 变： 翻转或相位移动
种状况在经典物理范围内是不可能从本质上解决的，这也是
Ｒ 」 密系统的安 Ｓ力 日 全性的问 题所在。 在量子计算机上 采用Ｓｏ ｈｔ 量子算法进行因子分解是有效 的。 对上述５位数的因 ６ 子分解，用 量子计算机可在若干秒钟 内 决。 解 于是， Ｓ加密系 ＲＡ 统的安全性面临挑战。 在模拟量子现象方面，１ １ 费曼提出了 ９ 年， ８ 经典计算机 能否精确模拟量子现象的问题。量子纠缠（ 例如用爱因斯坦 等的名字的第 一 个字母所命名的Ｅ Ｒ Ｐ 效应） 就显然不能用经 典计算机精确模拟。１ ５ ９ 年，费曼提出量子计舅 几 他的模 ８ 沛，
第３卷 第８ ０ 期
ＶＬ０ ｏ３
计 算 机 工 程
Ｃ ｍｐ ｔｒ ｇ ｅｒ ｇ ｏ ｕｅ Ｅ ｉ ｅｉ ｎｎ ｎ
２０年４ ０４ 月
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中 类号：Ｔ ３ 圈分 Ｐ８
抽 ８
· 发展趋势ｊ 热点技术 ·
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型虽然用上量子力学，却只是２世纪２年代中期的量子力学 ０ ０ 的观念。当时的哥本哈根学派的 玻尔解释或多或少否认单个 粒子的存在。因为那时还役有在实验上直接观察到单个光
子、电子，所以也不关心测量问题。 在计算机的器件尺度方面， 经典计算机要达到体积小、 容量大和速度快的要求受到限制。６６ ８计算机的Ｃ Ｕ Ｐ 的硅芯 片的 集成电 路的线宽为。 ５ ， ３Ｍｍ 要将处理能力提高Ｉ 相 倍， 当于要将线宽缩小一半。这样，每前进一步， 要化比过去大 得多的代价。而且，当 集成电 线宽小于。 ）」 量子 路的 ． ｎ Ｉ 时， ｒ 效应显得很重要。器件的尺寸再小就必须考虑量子效应。 迄今为止．在实用中的各 种不同类型的 计算机， 都是以 经典物理学为信息处理的理论基础， 称为经典计算机。量子 计算机则是以量子物理作为信息处理的理论基９的新 一 代计
ａ ａａ ｓ ｕｎ ｍ ｐｔ ， ｖ ｔ ａｏｔ ｓ ｕ ｔ ｃ ｐｔ ｍ ｈ ｔ ｇ ｎ ｍ ａ ｌ ｅ ａ ｔ ｃ ｒｔ ｏｐ ｇ ｍ ｄ ｎｇ ｏｑ ｔ ｃ ｕ ｒ ｉ ｉｓ ｌ ｒ ｍ ｆ ａ ｕ ｏ ｕｔ ｗ ｏ ｕｎ ｑａｕ ｅ ｎ ｅ ｎ ｎ ｈ ｈ ｃｒ ｒ ｒ ｖ ｔｅ ｆ ｕ ｏ ｅ ｔ ｈ ｇ ｉ ａ ｍ ｓ ｇｅ ｅ ｈ ｑ ｎ ｍ ａ ｍ ｉ ｉ ｕ ｓ ｕ ｔ ｎ ｇｍ ｔ ｅ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｔ ｄ ａ ａ ｏ ｆ ｇａ ｕ ｃ ｐｔ一一ｑ ｎ ｍ ｉｒｏｅ ｔ ｎ ｉｒ ｕ ｓ ｅｐ ｅｓ ｈ ｗｙ ｔ． ｓ ｍ ｔ ｄｆｕｉ ｏｄ ｃ ｅｎ ， ｏ ｕ ｔ ｏ ｕｒ ｒ ｍ ｅ ｎ ｍ ｕ ｕ ｕ ｔｙ ｒｉ ｄ ｏ ｃ ｄｖｏｍｎ ｏ ｔ ａ ｏ ｏ ｅ ｉｃｔ ｆ ｏ ｒｃ ａ ａ ｔ ｎａ ｐ ａ－Ａ ｎ ｄ ｅ ｅ ｌ ｔ ｆ ｓ － ｔ ｅ ｈ ｆ ｌｓ ｅ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｉ ｅ － ｄ
羞 全砚目： 家自 国 然科学 基金资助 （ ７３５ 项目６ ７０ ） ９ ２
作者偏介： 张镇九 １ ８ ） 男， （ ３一 ， 教授， ９ 主研方向： 计算与通 量子
信加密； 张昭理， 硕士 欣摘日 扣： ０３ ３ ０ ２０－ － ０３
Ｅｍ ｉ ｚａｇｚｅｊ＠ｍ ｉ ｈ ａ ｏ － ａ ： ｎ＿ｈｎｕ ａ． ｉ ． ｍ ｌ ｈ ｉ ｌ ｎｃ ｃ
量子计算机的优越性需要最子交缠， 但是， Ｔ ｅ ＭＩ的Ｎ ｉ ｌ
Ｇｒ ｅｆｄ ［ ｅｈ ｅ 和！Ｍ的Ｉａ Ｃｕ ｇ ｓ ｎ ｌ ３ ｓ ｃ ａ Ｍ核磁共振Ｏ方法实现量 ａ ｈｎ ５ 子计算却不需要量ｆ － 交缠。 ００ Ｉ的Ｓｈ ｄ ２ 年Ｍ ｌ ｅ Ｌ ｙ ０ ｔ ｌ 证明， ｏ 利用量子力学中粒子的波动性所产生的相干效应可实现量子 计算等量子操作。但是不利用交缠的代价是使用的资源（ 这 种量子计算机需要更多的分束器、探测器及其它设备） 成指 数次方增加，当然没有利用量子交缠的量子计算机那样优
赞性翻：最子计算机；量子么正操作 ；退相千
Ｒ ｃｎ Ｄ ｖｌ ｍ ｎｓ Ｑ ａ ｔｍ ｍｐ ｔ ｓ ｅｅｔ ｅ ｐ ｅｔｏ ｕ ｎｕ Ｃ ｅ ｏ ｎ ｏ ｕｅ ｒ
Ｚ Ａ Ｇ 呵ｉ， Ａ Ｇ劝ａｌ ＮＮ Ｚ ｕ Ｚ Ｎ ｈ ＇ Ｎ ｏ ｅ
（．ｏｅｅ ｈｓａＳｉ ｃａｄ ｈｏ ｇ， ｔｌ ａ ｍ ｌ ｖｒｔ Ｗｕａ ４０７ ； Ｉ ｔｇ ｏＰｙｉ ｌ ｎｅ Ｔｃｎｌｙ Ｃ ｎａＣ ｉ Ｎ ｒ ａＵ ｉ ｓｙ ｈｎ ０９ Ｃ ｌ ｆ ｃ ｃ ｅ ｎ ｅ ｏ ｅｒ ｈ ｎ ｏ ｎ ｅ ｉ， ３
量子计算机进展
张镇九 ，张昭理，
Ｕ华中 师范大学 物理科学与技 院， 汉４ ０９ ２ 中师范大 算机科学系 术学 武 ３ ７； ０ 华 学计 ） 摘 要： 对近儿年 蚤子计算 机从实验室走向实 化的重 展作了 个简要综述。 用 要进 一 撅述了 量子计算机的 优点， 给出了 不需要 交缠 量子 的量子 计 祛以 算方 及量子计算 程序 机的 — 量子么正 操作的 特性， 介绍在 服退柑干所 克 带来的 难方面 困 所取得的 进展以及大 和实用 尺度 化方面 的进 展， 最后给出 撅要的 评述。