量子計算機的發(fā)展

1、量子計算機的發(fā)展初生不可逆2011年6月15日星期三信息科學與工程學院計算機科學與技術摘要：本文介紹量子計算機的產(chǎn)生與發(fā)展，量子計算機與經(jīng)典計算機的比較與優(yōu)勢?，F(xiàn)今社會量子計算機發(fā)展所遇到的問題以及取得的成就。量子計算機對現(xiàn)今社會的影響，以及量子計算機未來發(fā)展的方向。關鍵詞：量子計算機計算機原理經(jīng)典計算機信息安全1 .引言從1946年人類第一臺計算機ENIAC的，到今天計算機信息技術飛速的發(fā)展。計算機已經(jīng)走過了六十多年的歷程。六十年中計算機不斷發(fā)生著驚人的變化，體積越來越小，運算速度越來越高，計算機芯片的集成化程度越來越高。但是根據(jù)量子力學，當元件和電路的尺寸小到原子尺度時，單電子的量子干涉效

2、應將會影響甚至完全破壞芯片的功能1,因此現(xiàn)代計算機進一步縮小計算機的體積，提高運算速度已經(jīng)極其困難。然而量子學研究給計算機的未來探索出了一條新的出路一量子計算機。量子計算機利用粒子所具有的量子特性進行信息處理，能夠用極少的數(shù)量表示大量的數(shù)據(jù)。量子計算機的研制取得了令人矚目的成就。2 .量子計算機2.1 計算機的原理2.1.1 傳統(tǒng)計算機的原理迄今為止，正在應用中各種不同類型的計算機都是以經(jīng)典物理學為信息處理的理論基礎，稱為傳統(tǒng)的計算機事者經(jīng)典計算機2。經(jīng)典信息系統(tǒng)采用物理上最容易實現(xiàn)的二進制數(shù)據(jù)存儲數(shù)年據(jù)或程序，每一個二進制數(shù)據(jù)位由0或1表示，稱為一個位或者比特，作為最小的信息單元。經(jīng)典計算機

3、也就是目前泛應用的馮諾依曼型計算機。具特點是：1、計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；2、采用存儲程序的方式程序和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器中。指令和數(shù)據(jù)以二進制碼表示，可以送到運算器運算；3、機器以運算器為中心，輸入和輸出設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器。經(jīng)典計算機本身存在著不可避免的致命弱點：一是計算過程能耗的最基本限制。邏輯元件或存儲單元所需的最低能量應在kT的幾倍以上，以避免在熱漲落下的誤動作；二是信息嫡與發(fā)熱能耗；三是計算機芯片的布線密度很大時，根據(jù)海森堡不確定性關系，電子位置的不確定量很小時，動量的不確定量就會很大。電子不再被束縛，會有量子干涉效應，這種效

4、應甚至會破壞芯片的功能。2.1.2 量子計算機的原理從物理的觀點看，計算機是一個物理系統(tǒng)，計算則是這個系統(tǒng)演化的物理過程。在經(jīng)典計算機中，每一個數(shù)據(jù)位要么是0,要么是1,二者必取其一。與經(jīng)典計算機數(shù)據(jù)位不同的是，量子位（qubit）可以是0或者1,也可以同時是0和1。對量子位操作一次，相當于對經(jīng)典位操作兩次3。這是量子計算的一個優(yōu)點。為了達到量子計算的目的，量子比特分別用兩個量子態(tài)及本征態(tài)|0和|1來表示，然后與經(jīng)典位0和1對應進行編碼。量子比特可以存在這樣的狀態(tài)，既非|0也非|1，它能以兩個邏輯態(tài)的疊加態(tài)的形式存在。在量子計算機中，我們無法準確測定量子比特處于哪一個量子態(tài)。量子力學告訴我們，

5、只能獲得這個量子比特越來越多的信息，并且這個量子比特的狀態(tài)可以介于|0和|1之間的任何量子態(tài)上，但無法完全確定其狀態(tài)。即量子計算包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：(1)量子計算機的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；(2)量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充。從另一個角度講，在經(jīng)典計算機里，一個二進制位只能存儲一個數(shù)據(jù),n個二進制位只能存儲n個一位二進制數(shù)或者1個n位二進制數(shù)；而在量子計算機里，一個量子位可以存儲兩個數(shù)據(jù)，n個量子位可以同時存儲2n個數(shù)據(jù)，

6、從而大大提高了存儲能力。2.2 量子計算機的優(yōu)勢2.2.1 體積量子計算機是一類遵循物理系統(tǒng)的量子力學性質、規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯計算、存儲及處理量子信息的物理設備。當某個設備處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。在計算機的器件尺度方面，經(jīng)典計算機要達到體積小、容量大和速度快的要求受到限制。686計算機的CPU的硅芯片的集成電路的線寬為0.35m,要將處理能力提高1倍，相當于要將線寬縮小一半。這樣，每前進一步，要花比過去大得多的代價。而且，當集成電路的線寬小于0.1m時，量子效應顯得很重要。量子計算機遵循著獨一無二的量子動力學規(guī)律(特別是量子干涉)來實現(xiàn)一種信息處理的新

7、模式。它以原子量子態(tài)作為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，組成量子計算機硬件的各種元件達到原于級尺寸，具體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。對計算問題并行處理，量子計算機比起經(jīng)典計算機有著速度上的絕對優(yōu)勢。2.2.2 速度與經(jīng)典計算機相比，量子計算機最重要的優(yōu)越性體現(xiàn)在量子并行計算上。我們已經(jīng)知道，量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果，這種計算稱為量子并行計算。量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經(jīng)典計算機無法完成的工作，例如一個很大的自然數(shù)的因

8、子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本質性的利用。因此，用量子態(tài)代替經(jīng)典態(tài)的量子并行計算，可以達到經(jīng)典計算機不可比擬的運算速度和信息處理功能，同時節(jié)省了大量的運算資源。2.2.3 信息安全量子計算機的快速計算與分析能力也給當今社會的信息安全體系帶來很大的沖擊。目前，針對密碼破譯的量子算法有兩種4：一是由貝爾實驗室的Grover在1996年發(fā)明的Grover算法。這是一種針對所有密碼（包括對稱密碼）的通用的搜索破譯算法，其計算復雜度為O（N）（相當于把密鑰長度減少到原來的一半）。從破譯的角度，雖然這種算法使現(xiàn)有的計算能力提高了數(shù)億倍，但對于目前使用的絕大多數(shù)對稱密碼和公鑰密碼來說還沒

9、有受到致命威脅。二是由貝爾實驗室的Shor在1994年發(fā)明的Shor算法。這是一種專用的搜索破譯算法，其擴展算法能以多項式時間攻破所有的能夠轉換成廣義離散傅立葉變換的公鑰密碼一一包括目前廣泛使用的RSA、DH和ECC。由于量子并行運算的內在機制，即使我們不斷增加這類密碼的密鑰長度，也只不過給破譯工作增加了很小的代價。對于橢圓曲線離散對數(shù)問題，Proos和Zalka指出在Nqubit的量子計算機上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數(shù)問題，例如，利用1448qubit量子計算機可以破譯256位的橢圓曲線密碼。但Shor算法不能用來破譯其他類型的公鑰密碼?，F(xiàn)行的信用卡加密技術也面臨著失效的危險。如

10、今的安全措施可能需要現(xiàn)在的計算機花費數(shù)千年才能破解，但是量子計算機破解它們只需要幾個小時，所有的安全措施都將成為一紙空文。2.3 量子計算機的發(fā)展情況2.3.1 量子計算機實現(xiàn)的技術障礙到目前為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機，它的實現(xiàn)還有許多技術上的問題5。量子計算機的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關聯(lián)效應。然而，環(huán)境對迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會使這種關聯(lián)效應減弱甚至喪失，即量子力學去相干效應。因此應盡量減少環(huán)境對量子態(tài)的作用。同時，萬一由于相干效應引入了錯誤信息，必需能及時改正，這需要進一步的研究和實驗。另一方面，量子態(tài)不能復制，使得不能把經(jīng)典計算機中很完善的糾錯方法直接移

11、植到量子計算機中來。由于量子計算機在計算過程中不能對量子態(tài)測量，因為這種測量會改變量子態(tài)，而且這種改變是不可恢復的，因此在糾錯方面存在很多問題。2.3.2 量子計算機的現(xiàn)狀由于上述兩種原因，現(xiàn)在還無法確定未來的量子計算機究竟是什么樣的，目前科學家們提出了幾種方案：第一種方案是核磁共振計算機。其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0和1兩種狀態(tài)，重點在于實現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作，優(yōu)點在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。第二種方案是離子阱計算機。其原理是將一系列自旋為的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里，組成一個相對穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng)，重點在于由激光來實現(xiàn)自旋翻轉的控制非操作其優(yōu)點在于極度減弱了去相干效應

12、，而且很容易在任意離子之間實現(xiàn)n位量子門。第三種方案是硅基半導體量子汁算機.其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實現(xiàn)存儲信息的量子位，重點在于用絕緣物質實現(xiàn)量子態(tài)的隔絕，具優(yōu)點在于可以利用現(xiàn)代高效的半導體技術。2.4 量子計算機的未來盡管量子計算機的研制困難重重，但是它所具有的無以倫比的優(yōu)勢依然極具吸引力，量子計算機的研究也取得了一步步的勝利。1994年PeterSho吆合了了第一個大數(shù)因子分解的量子算法，并成功的進行了1+1=2的運算。2000年8月15日美國四隙地商用機器公司（舊M）科研小組在斯擔福大學向參加熱點芯片2000計算技術會議的各國專家展示了“5比特量子電腦”一一裝著5個氟

13、原子的一組玻璃試管，并初步驗證了量子計算技術所具有的超凡魔力。德國于利希研究中心于2010年3月31日發(fā)表公報說該中心的超級計算機JUGENE成功地模擬了42位的量子計算機6,在此基礎上研究人員首次能夠仔細地研究高位數(shù)量子計算機系統(tǒng)的特性。2010年9月，英國布里斯托爾大學等機構的研究人員在新一期美國科學雜志上報告了量子計算機研究領域的新進展。領導研究的杰里米奧布賴恩教授認為，這一進展可能使量子計算機面世的時間提前到10年之內。3 .結語計算機的發(fā)展與人類發(fā)展史相比，雖然才僅僅有60多年，但是它卻顯示了強大的生命力與發(fā)展前景。計算機也不在簡單的只局限于自身的領域。縱觀其發(fā)展過程，量子計算機研究中最突出的特點是物理學的原理和計算機科學的交融和相互促進。計算機不再是一個抽象的數(shù)學模型，物理原理對計算機計算能力和效率的限制愈來愈引起人們的重視，現(xiàn)在量子糾錯理論成為研究中最熱門的課題。二十一世紀的量子計算機將會有燦爛的應用前景，使信息社會面貌一新。參考文獻：1李世錚.神奇的量子計算機（TP301）.物理通報，2001年第2期。2莫露潔，顏源.量子計算機與經(jīng)典計算機的比較.電腦應用技術，2008年總