量子计算机的原理机?

什么是量子计算机

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机，被誉为未来世界的计算机革命。它是一种全新的基于量子理论的计算机，不同于使用二进制或三极管的传统计算机，量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态，而非像传统计算机那样只能处于 0 或 1 的二进制状态。具体来说，传统计算机每个单位只可处理 0 或 1，在量子计算机则可同时处理 0 及 1 以上，只需 3 个 Byte（字节）便可处理 1600 万项任务，效率之高绝非传统计算机可比。理论上，现时最快的超级计算机需要花 10 亿年处理那极端复杂的排程运算，量子计算机只需 1 分钟即可完成。

量子计算机的产生过程

几十年来，集成电路的尺寸一直按照所谓的“摩尔定律”（Moore Law），以每 18 个月缩小一倍的速度持续发展，从而使计算机的性能指针（如计算速度、存储密度等）取得了每 18 个月翻一番的巨大成就。目前集成电路的特征尺寸已经降到了几十个纳米的量级，这个趋势还在继续着，预计再经过 20 年左右，将要降到几个原子的大小，甚至更小。于是出现了一个新的问题，在原子的尺度上传统的物理定律不再适用，遵循的是全新的量子力学规律，在原子的尺度上我们不再可能制造出传统的计算机。也就是说，大约 20 年后传统计算机将达到它的“物理极限”。科学家们看到传统的计算机结构必将有终结的一天，而且尽管计算机的运行速度与日俱增，但是有一些难题是计算机根本无法解决的，例如大数的因式分解，理论上只要一个数足够大，这个难题够目前最快的计算机忙几亿年的。

量子计算机只用 3 个 Byte（字节）便可处理 1600 万项任务

“基于量子力学的计算设备”最早是随着计算机科学的发展在 1969 年由史蒂芬?威斯纳提出。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大?豪勒夫（1973）、帕帕拉维斯基（1975）、罗马?印戈登（1976）和尤里?马尼（1980）年发表。（史蒂芬?威斯纳的文章发表于1983年。）八十年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982 年，理查德德?费曼在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。紧接着 1985 年戴维?杜斯提出了量子图灵机模型。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德德?费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生。

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量子计算机可以大幅提升计算速度

?量子计算机，在 1980 年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。一直到 1994 年彼得?秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

几十年前，一些先驱者，如美国 IBM 公司的 Charles H. Bennett 等人就开始研究信息处理电路未来的去向问题，他们指出，当计算机组件的尺寸变得非常之小时，我们不得不面对一个严峻的事实：必须用量子力学来对它们进行描述。八十年代初期，一些物理学家证明一台计算机原则上可以以纯粹的量子力学的方式运行，之后很长一段时间，这一研究领域渐趋冷清，因为科学家们不能找到实际的系统可供进行量子计算机的实验，而且还尚不清楚量子计算机解决数学问题是否会比常规计算机快。

进入 20 世纪 90 年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。尤其值得一提的是 1994 年美国贝尔实验室的 Peter W. Shor 证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的 RSA 公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击，几年后 Grover 提出“量子搜寻算法”，可以破译 DES 密码体系。于是各国政府纷纷投入大量的资金和科研力量进行量子计算机的研究，如今这一领域已经形成一门新型学科-量子信息学。

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量子计算原理

量子计算机的开发理论

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机 0 与 1 完全吻合。如果把一群原子聚在一起，它们不会像电子计算机那样进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算，例如量子计算机处理数据时不是分步进行而是同时完成。只要 40 个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比目前的奔腾 4 芯片快 10 亿倍，可以在一瞬间搜寻整个互联网信息。

量子计算机的主要用途

量子计算机可以进行大数的因式分解，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。

在利用 EPR 对进行量子通讯的实验中我们发现，只有拥有 EPR 对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息，正所谓解铃还需系铃人，这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。

此外量子计算机还可以用来做量子系统的仿真，人们一旦有了量子模拟计算器，就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征。

量子计算机的广阔前景

社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力，从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。

近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。

目前，美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现 7 个量子比特量子算法演示。

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D-Wave 量子计算机

2007 年 2 月，加拿大 D-Wave 系统公司宣布研制成功 16 位量子比特的超导量子计算机（尚未经科学检验），如果他们是诚信的，这个工作的意义就非常重大，或许，可实际应用的量子计算机会在几年内出现，量子计算机的时代真的要开始了！

2009 年 11 月 15 日，世界首台量子计算机正式在美国诞生，这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。较之传统计算机中的“0”和“1”比特，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。

2010 年 3 月 31 日，德国于利希研究中心发表公报：德国超级计算机成功仿真 42 位量子计算机，该中心的超级计算机 JUGENE 成功仿真了 42 位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。

IBM 的科学家们在量子计算方面已取得重大突破，于 2012 年1 月完成了一系列量子计算的试验，使用超导技术在绝对零度条件下证实了这一技术，一秒钟进行亿万次运算。传统的计算机数据位非“0”即“1”，一个量子可以拥有“0”，“1”以及同时“0”与“1”三种状态。据悉，这项技术突破允许科学家在初步计算中减少数据错误率，同时在量子位(qubits)中保持量子机械属性的完整性。这一成果向世人展示量子计算能够开发可扩展的技术，该技术已经远超当今超级计算机的能力。

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IBM 开发的量子处理器原型

2011 年首台商用量子计算机 D-Wave One 面世

2011 年 5 月 11 日，加拿大 D-Wave 系统公司宣布推出首台商用量子计算机 D-Wave One 面世。这台计算机是加拿大 D-Wave 系统公司 2007 年展示全球第一台商用实用型量子计算机“orion”(猎户座)的改良版本。它采用了 128-qubit(量子比特)的处理器，是 2007 年原型机的 4 倍。在理论 D-Wave One 指令周期远远超越现有任何现有的超级计算机，不过限制很大。由于量子计算机采用不同的编程方式，所以在编程方面需要从新开始，目前只能处理经过优化的特定任务，在通用任务方面还不如传统计算机。另外，在散热方面也是一大问题。D-Wave One 采用液氦散热，需在接近绝对零度的低温下工作，难作普及。再考虑 D-Wave One 的定价，竟达 1000 万美元，谈不上是普及的商品。所以 D-Wave One 只能是量子计算机的雏型，未来还有很长的道路要走。

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目前量子计算机需采用液氦的低温环境下工作

中港在量子计算机的研究

在量子计算机研究上，中国及香港一直紧密跟进，并且取得一定成果。在 2009 年，香港中文大学物理系助理教授刘仁保与合肥中国科技大学教授杜江峰在国际权威学术期刊《自然》（Nature），发表延长量子稳定状态的「寿命」的研究成果，为量子计算机普及作出重大贡献。

由于量子的状态的极不稳定，可以同时处于多个状态下，又称「迭加态」。又或同时处于朝上和朝下的状态，以致量子信息无法保存，量子计算机难作实用化。为保护量子状态，刘教授的研究队伍利用微波技术，把固体材料「胡萝卜酸」里的电子自旋的量子相位，从不足二千万分之一秒提高至近三千万分之一秒。时间延长近千倍，使有充足时时间利用量子来计算。更实得的是，刘教教授的方案可于正常室温下运作，为家居量子计算机奠下基础。

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华人之光：中国科技大学教授杜江峰(左)及香港中文大学物理系助理教授刘仁保为量子计算机研究作出杰出贡献

刘仁保教授的开拓性研究大大延长电子自旋的稳定状态，为开发具有超高运算能力的量子计算机揭开新一页