量子计算机概念源于对可逆计算机的研究.ppt

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1、引 言 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，其目的是为了解决计算机中的能耗的不可逆操作。那么，既然计算机中的每一步操作都可以改造为问题。 研究发现，能耗来源于计算过程中可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。 量子计算机量子计算机研究中的量子计算机什么是量子计算机? 在量子计算机中，基本信息单元

2、（叫做一个量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。 qubit具有这种性质的直接原因是因为它遵循了量子动力学的规律，而量子动力学从本质上说完全不同于传统物理学。qubit不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在。换句话说，qubit能作为单个的0或1存在，也可以同时既作为0也作为1，而且用数字系数代表了每种状态的可能性。相关的概念 量子信息的存储量子信息的存储量子量子比特（比特（q-bitq-bit） 量子计算机则操纵着量子位或者说昆比特。一个昆比特说明一个单粒子能存在于0或1

3、的状态，或者同时存在于0和1的状态，这说明昆比特比比特可以表示的状态多。而且量子重叠态允许同时进行许多运算，这就是已知的量子平行，可以大大减少计算时间。三个量子比特的系统三个量子比特的系统相关的概念量子平行量子平行量子计算机的威力：只用300个光子（或者300个离子等等）就能储存比这个宇宙中的原子数还多的数字，而且对这些数字的计算可以同时进行。 量子计算机的特点量子计算机的特点为量子计算机的特点为: : 1量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交； 2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。用 途 量子计算机

4、可以进行大数的因式分解，量子系统的模拟,和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。量子计算机的优点 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。 量子计算机的速度快,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。 量子计算机的问世还可解决一个一直困扰传统计算机的难题，那就是微型化、集成化。突 破 量子计算机可将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。而研究可逆计算机可以克服计算机中的能耗问题。事实上，只要对异或门的操作如图1所示的简单改进，即保留一个无用的比特，该操作就变为可逆

5、的。因此物理原理并没有限制能耗的下限，消除能耗的关键是将不可逆操作改造为可逆操作（见图1）。 图为不可逆异或门改进为可逆异或门量子计算机的构造 实验上通常用一些具体的量子逻辑门来构造计算机。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现，现在的不少实验方案都集中干制造量子异或门。量子异或门和经典异或门非常类似，它有2个输入比待：控制比特和受控比特。当控制比特处于|1态，即在上能级时，受控比特态发生反转。用记号C12代表量子异或操作，其中1，2分别代表控制和受控比特，则有 其中n1,n2取值 0或 1， 表示

6、模2加。已有的用来实现量子异或门的方案包括：利用原子和光腔的相互作用；利用冷阱束缚离子；或利用电子或核自旋共振。在已实现的方案中，以冷阱束缚离子方案最为成功.量子算法 ShorShor算法算法 是Peter Shor在1995年发明的算法，它能够快速地分解大数字。如果它曾经被使用过，它将会对密码系统有着深刻的影响，它会威胁到由公钥密码学所提供的安全性(例如RSA)。量子算法2 GroverGrover算法算法 Lov Grover曾经写过一个算法，使用量子计算机用比传统计算机快的速度检索一个未排序的数据库通常，这需要花费N/2个数字的时间来在一个具有N个入口的数据库中搜索发现一个特定的入口。G

7、rover的算法使在N叉检索中进行相同的搜索变得可能。这种算法所带来的加速是量子并行结构的结果。量子计算机的威力和巨大潜力 尽管从理论上说传统计算机能模拟量子计算机，但是，传统计算机的效率却低的令人难以置信，所以传统计算机不可能有效的履行量子计算机可以履行的任务。Shor的运算法则利用了量子重叠在几秒钟内快速分解非常大的数（10200的数字和更大的数字）。运用该运算法则的量子计算机的首要应用在于加密领域。研究现状 量子计算机并没有被经典物理世界所限制，量子计算机依赖于对量子位或者说昆比特（qubit）的观察，量子位可能代表了一个0或者一个1，也可能代表了二者的结合或者可能代表了在0和1之间的一

8、种状态。 IBM的研究者已经通过使用核磁共振（NMR）技术测量和控制单原子自旋建立了量子计算机。通过改变原子能级使该原子在可控制的方式下和其它原子互相影响，然后无线电波的脉冲可以使计算机开始计算处理。存在的问题 尽管科学家和工程师已经示范了一些小规模的量子计算机，但是开发者们在建造可行的商用量子计算机方面仍然不得不面对几个尖锐的问题。最紧迫的一个问题是当观察一个单离子的能级和自旋方向时很难使其保持稳定。 研究成果 1994年两位物理学家尼尔和艾萨克已经研制出一台最为基本的量子计算机，能够进行简单的运算。使用丙胺酸，它可以完成的运算，使用液态氯仿，还能解决其他问题。物理学家们现在正努力研究出一种

9、比较复杂的计算机，能够将15分解成乘。 2000年日本日立公司开发成功一种量子元件“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动，具有体积小，功耗低的特点，比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。日本富士通公司正在开发量子元件超高密度存储器，在1平方厘米面积的芯片上，可存储10万亿比特的信息，相当于可存储6000亿个汉字。美国物理学家的翰逊博士开发成功的电子自旋晶体管，有可能将集成电路的线宽降至0.01微米。在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管，使集成电路的集成度大大提高。未来展望 最近，在“流体计算”技术方面由Dr.Gershenfield和Dr.chuang(Los Alamos国家实验室，新

10、墨西哥州)领导的工作给予量子计算一个有前景的未来。事实上，Dr.Gershenfield相信，如果现在进步的速度持续下去的话，在不到10年的时间内，量子联合处理器将会变成现实。其它技术，例如量子点，当我们的技术进步后，可能会产生出类似的结果。而乐观者指出，现在研究人员所试验的问题看起来像是技术问题而不是根本性问题。尚未解决，并且许多人，包括IBM公司托马斯.沃森研究中心的Rolf Landauer，认为量子计算机不太可能发展超过10-量比系统(如上所述)，因为脱散性使它们过于脆弱以至于不实用。 量子通讯方面的研究人员已经享受了很大程度上的成功。部分涉及到的计算机已经能够在大约10公路的距离上进

11、行安全的通讯。根据发展这些线路的花费以及现存的对它们的需求，量子通讯将会有一个强大的未来。结 论 随着传统计算机渐渐接近它们的极限，量子计算机保证了给予一种新的计算能力水平。随着量子计算机的到来，一种结合了奇特的量子机械效应的，并将每种自然物体看做某种量子计算机的，全新的计算理论诞生了。因此，量子计算机具有模拟任何限定的自然系统的理论能力，并且掌握着制造一台人工智能计算机的关键。量子计算机通过大量的并行领域计算的能力，使它具有了快速计算许多传统计算机实际永远无法解决的任务的能力。这种能力仅仅在使用正确的算法时才能显现出来，然而这种算法是极其难以表达出来的。有些算法已经开发出来了，它们在密码使用系统领域有着巨大的应用。 Thank you!