量子信息與量子計(jì)算

1、關(guān)于量子信息與量子計(jì)算量子計(jì)算是一種依照量子力學(xué)理論進(jìn)行的新型計(jì)算,量子計(jì)算的基礎(chǔ)原理以及重要量子算法為在計(jì)算速度上超越圖靈機(jī)模型提供了可能。量子計(jì)算(quantumcomputation)的概念最早由IBM的科學(xué)家R.Landauer及C.Bennett于70年代提出，對(duì)于普通計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)芯片會(huì)發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，科學(xué)家們想找到能有更高運(yùn)算速度的計(jì)算機(jī)。到了1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P.Shor指出，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開(kāi)啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段：有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)

2、家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來(lái)，而物理學(xué)家接下來(lái)所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來(lái)執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名作為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振(photonpolarization)、空腔量子電動(dòng)力學(xué)、離子阱以及核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)等等。以目前的技術(shù)來(lái)看，這其中以離子阱與核磁共振最具可行性。事實(shí)上，核磁共振已經(jīng)在這場(chǎng)競(jìng)賽中先馳得點(diǎn)：以I.Chuang為首的IBM研究團(tuán)隊(duì)在2002年的春天，成功地在一個(gè)人工合成的分子中(內(nèi)含7個(gè)量子位)利用NMR完成N=15的因子分解。到底是什么

3、導(dǎo)致量子如此高的計(jì)算能力呢？答案是量子的重疊與牽連原理的巨大作用。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)(00、01、10、11)中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位(qubit)寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四個(gè)數(shù)。量子位是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中,信息單元用二進(jìn)制的1個(gè)位來(lái)表示,它不是處于“0”態(tài)就是處于“1”態(tài).在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中,信息單元稱為量子位,它除了處于“0”態(tài)或“1態(tài)外,還可處于疊加態(tài)(superposedstate).疊加態(tài)是“0”態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加,它既可以是“0”態(tài)又可以是“1”態(tài),“0”態(tài)和“1”態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在.通過(guò)測(cè)量或與其它物體發(fā)生

4、相互作用而呈現(xiàn)出“0”態(tài)或“1態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子位,例如氫原子中的電子的基態(tài)(groundstate)和第1激發(fā)態(tài)(firstexcitedstate)、質(zhì)子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圓偏振光的左旋和右旋等。一個(gè)量子系統(tǒng)包含若干粒子,這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動(dòng),稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài).態(tài)空間由多個(gè)本征態(tài)(eigenstate)(即基本的量子態(tài))構(gòu)成基本態(tài)空間可用Hilbert空間(線性復(fù)向量空間)來(lái)表述,即Hilbert空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài).為了便于表示和運(yùn)算,Dirac提出用符號(hào)x來(lái)表示量子態(tài),x是一個(gè)列向量,稱為ket;它

5、的共軛轉(zhuǎn)置(conjugatetranspose)用x表示，x是一個(gè)行向量,稱為bra.一個(gè)量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert空間(即二維復(fù)向量空間)的單位向量來(lái)描述無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實(shí)際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)核心問(wèn)題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯(cuò)碼、量子避錯(cuò)碼和量子防錯(cuò)碼。量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典糾錯(cuò)碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，

6、其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不圖。把量子考慮成磁場(chǎng)中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)可能與磁場(chǎng)一致，稱為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場(chǎng)相反，稱為下旋狀態(tài)。通過(guò)提供脈沖能量使電子旋轉(zhuǎn)從一種狀態(tài)變?yōu)閮煞N狀態(tài)，例如從激光。讓我們假設(shè)我們用一單位激光能量。但是假設(shè)我們僅用半單位的激光能量并完全消除外界對(duì)微粒的影響將會(huì)怎樣呢？根據(jù)量子理論，微粒將進(jìn)入重疊狀態(tài)，即同時(shí)處于兩種狀態(tài)下，每一個(gè)量子比特呈現(xiàn)重疊狀態(tài)0和1。因此量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算數(shù)是2的n次方，n是量子比特的位數(shù)。量子計(jì)算機(jī)如果有500個(gè)量子比特，就在每一步作2A500次運(yùn)算。這是一個(gè)可怕的數(shù)，2A500比地球上已知的原子數(shù)還要多（這是真正的并行處理，當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)

7、，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。但是這些微粒如何相互作用呢？他們通過(guò)量子牽連來(lái)做。量子牽連：在某點(diǎn)上相互作用的微粒（像光子、電子）之間具有一種關(guān)系，能夠成對(duì)的糾纏在一起，這一過(guò)程被稱為相關(guān)性。知道了糾纏在一起的一個(gè)微粒的狀態(tài)是上或下的話，它同伴的旋轉(zhuǎn)是在其相反的方向上。令人驚奇的是，由于層疊現(xiàn)象，被測(cè)定的微粒沒(méi)有單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)方向，而是同時(shí)成對(duì)的處于上旋和下旋狀態(tài)。被測(cè)微粒的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)由測(cè)量時(shí)間和與其相關(guān)的微粒決定，其相關(guān)微粒同時(shí)處于相反的旋轉(zhuǎn)方向。這一真實(shí)的現(xiàn)象（愛(ài)因斯坦稱其為定距離之間的神奇行為”），至今沒(méi)有任何恰當(dāng)?shù)睦碚摽梢越忉?，只是?jiǎn)單的被接受著。量子牽連就是無(wú)論來(lái)自同一系統(tǒng)的粒

8、子之間有多遠(yuǎn)的距離都能同時(shí)相互作用（不受光速限制）。加拿大量子計(jì)算公司D-Wave近日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“-WaveOne,量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號(hào)就是Yes,youcanhaveone.。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion獵戶座），不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問(wèn)題的特殊用途機(jī)器。D-WaveOne量子處理器晶圓1D-WaveOne量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2時(shí)隔四年之后，D-WaveOne終于脫胎換骨、正式登場(chǎng)。它采用了128-qubit（量子比特）的處理器，四倍于之前的原型機(jī)，理論運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。不過(guò)呢，也別太興奮，這個(gè)大家伙現(xiàn)在還只能處理經(jīng)過(guò)優(yōu)化的特定任務(wù)，通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。D-WaveOne在散熱方面的要求也非?？量?，必須由液氮全程保護(hù)，但這至少比原型機(jī)離不開(kāi)接近絕對(duì)零度的液氮好多