超級(jí)計(jì)算能手——量子計(jì)算機(jī)

1、信息科學(xué)面臨挑戰(zhàn)信息科學(xué)面臨挑戰(zhàn) 信息科學(xué)在改善人類(lèi)生活質(zhì)信息科學(xué)在改善人類(lèi)生活質(zhì)量和推進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中發(fā)揮著量和推進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可比擬和令人驚嘆的作用，但無(wú)可比擬和令人驚嘆的作用，但在信息化的進(jìn)程中人類(lèi)也面臨越在信息化的進(jìn)程中人類(lèi)也面臨越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，如當(dāng)今信息系來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，如當(dāng)今信息系統(tǒng)的處理能力已接近極限值的程統(tǒng)的處理能力已接近極限值的程度。度。 現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能無(wú)限制地增長(zhǎng)嗎？現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能無(wú)限制地增長(zhǎng)嗎？1965-1995年微處理器與存儲(chǔ)器芯片年微處理器與存儲(chǔ)器芯片集成度的提高基本符合集成度的提高基本符合Moores Law.Gordon Moore,

2、Intel公司的創(chuàng)始人之一公司的創(chuàng)始人之一. 現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？現(xiàn)有的密碼體系是絕對(duì)安全的嗎？ 密鑰的安全性是核心問(wèn)題。密鑰的安全性是核心問(wèn)題。 所謂所謂“絕對(duì)安全絕對(duì)安全”是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊是指能經(jīng)受物理定律所允許的攻擊而不被破譯。而不被破譯。明文明文明文明文加密加密變換變換脫密脫密變換變換密鑰密鑰K密鑰密鑰K密文密文密文密文公開(kāi)信道公開(kāi)信道KK1 公開(kāi)密鑰公開(kāi)密鑰RSARSA體系基于體系基于“大數(shù)因子分解大數(shù)因子分解”這類(lèi)這類(lèi)難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并不是嚴(yán)格意義上的絕對(duì)安全。難以計(jì)算的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并不是嚴(yán)格意義上的絕對(duì)安全。密鑰可以克隆是密碼體系不安全的根源。密鑰可以克

3、隆是密碼體系不安全的根源。 一直在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大密碼算一直在國(guó)際上廣泛應(yīng)用的兩大密碼算法法MD5MD5、SHASHA1 1，近期宣布被王小云教授，近期宣布被王小云教授破解。破解。 20042004年年8 8月，王小云在國(guó)際密碼大月，王小云在國(guó)際密碼大會(huì)上首次宣布了對(duì)會(huì)上首次宣布了對(duì)MD5MD5、HAVALHAVAL128128、MD4MD4和和RIPEMDRIPEMD等四個(gè)著名密碼算法的破譯等四個(gè)著名密碼算法的破譯結(jié)果。結(jié)果。v 20052005年年2 2月月7 7日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院發(fā)表申明，院發(fā)表申明，SHASHA1 1沒(méi)有被攻破，并且沒(méi)有沒(méi)有被攻破，并

4、且沒(méi)有足夠的理由懷疑它會(huì)很快被攻破，開(kāi)發(fā)人員足夠的理由懷疑它會(huì)很快被攻破，開(kāi)發(fā)人員在在20102010年前應(yīng)該轉(zhuǎn)向更為安全的年前應(yīng)該轉(zhuǎn)向更為安全的SHASHA256256和和SHASHA512512算法。而僅僅在一周之后，王小云算法。而僅僅在一周之后，王小云就宣布了破譯就宣布了破譯SHASHA1 1的消息。的消息。v 諸如此類(lèi)問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)提出嚴(yán)峻的諸如此類(lèi)問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有信息技術(shù)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展要求開(kāi)拓新挑戰(zhàn)。未來(lái)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展要求開(kāi)拓新的原理和方法。的原理和方法。量子力學(xué)的奇妙特性量子力學(xué)的奇妙特性 量子力學(xué)是量子力學(xué)是2020世紀(jì)初才誕生的，世紀(jì)初才誕生的，是近代

5、物理學(xué)兩大支柱之一。是近代物理學(xué)兩大支柱之一。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)典力學(xué)：宏觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律量子力學(xué)：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)典粒子經(jīng)典粒子特性：特性：每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定每時(shí)刻的位置、速度完全確定，有確定 的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。的運(yùn)行軌跡，遵從牛頓力學(xué)。經(jīng)典的波經(jīng)典的波特性：特性：充滿整個(gè)空間，遵從經(jīng)典電磁場(chǎng)理論。充滿整個(gè)空間，遵從經(jīng)典電磁場(chǎng)理論。微觀粒子微觀粒子特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。特點(diǎn)：同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性。 設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，設(shè)想空間中有一個(gè)微觀粒子，任何時(shí)刻有可能在空間中任何

6、點(diǎn)探任何時(shí)刻有可能在空間中任何點(diǎn)探測(cè)到粒子（類(lèi)似經(jīng)典波的特性），測(cè)到粒子（類(lèi)似經(jīng)典波的特性），但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)但一旦探測(cè)到只能在其中一個(gè)探測(cè)器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類(lèi)似經(jīng)典粒子的器處發(fā)現(xiàn)該粒子（類(lèi)似經(jīng)典粒子的特性）。特性）。CABA,B,C,為探測(cè)器為探測(cè)器多次入射多次入射（干涉現(xiàn)象）（干涉現(xiàn)象）遵從量子力學(xué)。遵從量子力學(xué)。微觀粒子微觀粒子一次入射一次入射經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的經(jīng)典粒子在某個(gè)時(shí)刻只能處于確定的 物理狀態(tài)上；物理狀態(tài)上；量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物量子粒子則可以同時(shí)處于各種可能的物 理狀態(tài)上（疊加態(tài)）。理狀態(tài)上（疊加態(tài)）。D1D2單個(gè)光子單個(gè)光子分束器分束器

7、光電探測(cè)器光電探測(cè)器單個(gè)光子究竟沿哪條路徑傳送？單個(gè)光子究竟沿哪條路徑傳送？“薛定諤貓薛定諤貓” 宏觀量子疊加態(tài)宏觀量子疊加態(tài) 活死21tAEPR粒子對(duì)粒子對(duì)BEPR佯謬佯謬EPR效應(yīng)：非局域性是量子力學(xué)的基效應(yīng)：非局域性是量子力學(xué)的基 本性質(zhì)。本性質(zhì)。BABABA21,糾纏態(tài)糾纏態(tài)量子信息應(yīng)運(yùn)而生量子信息應(yīng)運(yùn)而生 量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮量子特性應(yīng)用到信息領(lǐng)域中可以發(fā)揮出獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信出獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)息安全、增大信息容量等方面可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，于是誕生了一門(mén)

8、新興的交叉學(xué)科：門(mén)新興的交叉學(xué)科：量子信息科學(xué)量子信息科學(xué)它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是量子物理與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。量量子子密密碼碼量量子子通通訊訊量量子子計(jì)計(jì)算算 人們堅(jiān)信，信息技術(shù)的發(fā)展人們堅(jiān)信，信息技術(shù)的發(fā)展將從將從經(jīng)典經(jīng)典跨越到跨越到量子量子的時(shí)代。的時(shí)代。 近年來(lái)，量子信息在理論近年來(lái)，量子信息在理論和試驗(yàn)研究上取得重要突破，和試驗(yàn)研究上取得重要突破，引起各國(guó)引起各國(guó)政府、科學(xué)界、信息產(chǎn)業(yè)界政府、科學(xué)界、信息產(chǎn)業(yè)界的高度重視。的高度重視。二、量子信息的特性二、量子信息的特性自然界有三要素：物質(zhì)、能量和信息。自然界有三要素：物質(zhì)、能量和信息。相應(yīng)有三個(gè)學(xué)科：材料科學(xué)、能量

9、科學(xué)和信息科學(xué)。相應(yīng)有三個(gè)學(xué)科：材料科學(xué)、能量科學(xué)和信息科學(xué)。何謂何謂“信息信息”？信息就是我們?cè)谶m應(yīng)外部世界和控制外信息就是我們?cè)谶m應(yīng)外部世界和控制外部世界的過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)部世界的過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)容和名稱(chēng)。容和名稱(chēng)。“信息就是信息，既不是物質(zhì)，也不是能信息就是信息，既不是物質(zhì)，也不是能量量”。為全人類(lèi)帶來(lái)更豐富的高科為全人類(lèi)帶來(lái)更豐富的高科技成果。技成果。 2020世紀(jì)人類(lèi)把量子力學(xué)應(yīng)用于物世紀(jì)人類(lèi)把量子力學(xué)應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué)，導(dǎo)致了構(gòu)成當(dāng)代質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué)，導(dǎo)致了構(gòu)成當(dāng)代文明社會(huì)的高科技成果，如核能、半文明社會(huì)的高科技成果，如核能、半導(dǎo)體、激光等。導(dǎo)體、

10、激光等。 2121世紀(jì)人類(lèi)將量子力學(xué)世紀(jì)人類(lèi)將量子力學(xué)應(yīng)用應(yīng)用于信于信息科學(xué)，導(dǎo)致量子信息的誕生，這將息科學(xué)，導(dǎo)致量子信息的誕生，這將 量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別量子信息與經(jīng)典信息的根本區(qū)別經(jīng)典信息經(jīng)典信息 二進(jìn)制二進(jìn)制0或或1組成的數(shù)字串，其信息組成的數(shù)字串，其信息單元稱(chēng)為單元稱(chēng)為“比特比特”，為，為0或者或者1。 用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài)用量子的語(yǔ)言可描述為態(tài) 和和 。經(jīng)典粒子只能處在經(jīng)典粒子只能處在 或或 之中的一個(gè)態(tài)之中的一個(gè)態(tài)上。上。0101量子信息量子信息 微觀粒子允許同時(shí)處在微觀粒子允許同時(shí)處在 和和 兩個(gè)兩個(gè)態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。態(tài)上，這是其波粒二象性的結(jié)果。 0112

11、1201 , ,CCC C為任意復(fù)數(shù)。12221 CC（疊加態(tài)）（疊加態(tài)） 量子信息是經(jīng)典信息的完善和擴(kuò)充，正如復(fù)數(shù)量子信息是經(jīng)典信息的完善和擴(kuò)充，正如復(fù)數(shù)z=x+iyz=x+iy是實(shí)數(shù)是實(shí)數(shù)x x，y y的完善和擴(kuò)充。的完善和擴(kuò)充。量子信息的單元量子信息的單元 稱(chēng)為量子比特。稱(chēng)為量子比特。 量子比特（即量子態(tài)）的物理載體：光子，電子，原量子比特（即量子態(tài)）的物理載體：光子，電子，原子，核自旋，子，核自旋， 以量子態(tài)作為信息單元，以量子態(tài)作為信息單元，“信息信息”就量子就量子化?；?以以“比特比特”作為信息單元的是經(jīng)典信息，作為信息單元的是經(jīng)典信息，以以“量子比特量子比特”作為單元的是量子信

12、息。作為單元的是量子信息。 因此，量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律。因此，量子信息遵從量子力學(xué)規(guī)律。信息傳輸：信息傳輸：量子態(tài)在量子通道中傳送量子態(tài)在量子通道中傳送信息處理信息處理( (計(jì)算計(jì)算) )：量子態(tài)幺正演化量子態(tài)幺正演化信息提?。盒畔⑻崛。毫孔訙y(cè)量量子測(cè)量 如，經(jīng)典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，經(jīng)典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的（量子不可克隆定理）。（量子不可克隆定理）。 兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾兩經(jīng)典粒子分離后就不關(guān)聯(lián)，而兩量子粒子處于糾纏態(tài)（纏態(tài)（EPR粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)粒子）時(shí)不論空間分離多開(kāi)仍然存在量子關(guān)聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作

13、用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的聯(lián)，對(duì)其中一個(gè)粒子施行作用必然會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。狀態(tài)。于是，奇特的量子性質(zhì)就可以產(chǎn)生新的信息功能。于是，奇特的量子性質(zhì)就可以產(chǎn)生新的信息功能。三、量子密碼三、量子密碼 采用量子態(tài)采用量子態(tài)(量子比特量子比特)作為信息載體，經(jīng)由量子作為信息載體，經(jīng)由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰(經(jīng)典隨經(jīng)典隨機(jī)數(shù)機(jī)數(shù))，這個(gè)密鑰是安全的，任何竊聽(tīng)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。，這個(gè)密鑰是安全的，任何竊聽(tīng)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。 其安全性由量子力學(xué)原理所保證：其安全性由量子力學(xué)原理所保證：竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量來(lái)竊取信息，

14、則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身，取信息，則必然會(huì)干擾這個(gè)量子態(tài)本身，從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn)。從而會(huì)留下痕跡而被合法用戶發(fā)現(xiàn)。竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)復(fù)制傳送密鑰的量子竊聽(tīng)者若企圖通過(guò)復(fù)制傳送密鑰的量子態(tài)來(lái)獲得信息，此時(shí)量子不可克隆定理態(tài)來(lái)獲得信息，此時(shí)量子不可克隆定理確保這種復(fù)制不可能成功。確保這種復(fù)制不可能成功。 因此，量子密碼術(shù)原則上可以提供不可破譯、因此，量子密碼術(shù)原則上可以提供不可破譯、不可竊聽(tīng)的保密通信體系。不可竊聽(tīng)的保密通信體系。目前中國(guó)科大已在光目前中國(guó)科大已在光纖中成功地實(shí)現(xiàn)纖中成功地實(shí)現(xiàn)125125公里量子密鑰傳輸，在自由公里量子密鑰傳輸，在自由空間中實(shí)現(xiàn)空間中實(shí)現(xiàn)1313公里傳

15、送。公里傳送。量子安全體系量子安全體系量子量子身份身份認(rèn)證認(rèn)證量子量子比特比特承諾承諾量子量子對(duì)策對(duì)策論論 量子密碼通信量子密碼通信是目前唯一被證明是目前唯一被證明絕對(duì)安全的保密通絕對(duì)安全的保密通信方法信方法, ,美國(guó)美國(guó)商業(yè)商業(yè)周刊周刊把它列在了把它列在了改變?nèi)藗兾磥?lái)生活改變?nèi)藗兾磥?lái)生活的十大發(fā)明的第三的十大發(fā)明的第三位。位。 四、量子通訊四、量子通訊 長(zhǎng)期以來(lái)，這種隱形傳物無(wú)長(zhǎng)期以來(lái)，這種隱形傳物無(wú)論用經(jīng)典方法或量子方法都認(rèn)為論用經(jīng)典方法或量子方法都認(rèn)為是不可能的，只是是不可能的，只是“科學(xué)幻想科學(xué)幻想”或或“神話神話”而已。而已。地地球球木木星星 1993年美國(guó)年美國(guó)IBM的著名科學(xué)家的

16、著名科學(xué)家Bennet等等四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家聯(lián)名在PhysicalReview Letters上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性論文：“經(jīng)由經(jīng)典和經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)通道傳送未知量子態(tài)”，提，提出了一種方法可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)出了一種方法可以將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)(未未知量子比特知量子比特)傳送給遠(yuǎn)處的另一個(gè)傳送給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子，使該粒子處在這個(gè)未知量子粒子，使該粒子處在這個(gè)未知量子態(tài)上，而原先的粒子不被傳送，這態(tài)上，而原先的粒子不被傳送，這就是所謂就是所謂“量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)”。EPR-sourceinitial stateBS

17、MUClassical informationALICEBOBTeleported stateEntangled pair量子隱形傳量子隱形傳態(tài)原理圖態(tài)原理圖為實(shí)現(xiàn)傳送某個(gè)物體的未知量子態(tài)，可將原為實(shí)現(xiàn)傳送某個(gè)物體的未知量子態(tài)，可將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，基本思想基本思想它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接受者。它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接受者。量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的部分信息經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的部分信息接受者

18、在獲得這兩種信息之后，就可以接受者在獲得這兩種信息之后，就可以制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品。制造出原物量子態(tài)的精確復(fù)制品。在這個(gè)過(guò)程中，在這個(gè)過(guò)程中，原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而且，發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知；態(tài)，而且，發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知；接受者是將別的物質(zhì)單元接受者是將別的物質(zhì)單元(如粒子如粒子)制備成為與原物完全制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知；相同的量子態(tài)，他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知；原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉不違背不違背“量子量子不可克隆

19、定理不可克隆定理”；未知量子態(tài)未知量子態(tài)(量子比特量子比特)的這種傳送，需要經(jīng)的這種傳送，需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果)，傳送速度不可能超過(guò)光速傳送速度不可能超過(guò)光速不違背相對(duì)論不違背相對(duì)論的原理。的原理。 19971997年，奧地利學(xué)者年，奧地利學(xué)者( (其第二作者為中國(guó)其第二作者為中國(guó)科技大學(xué)學(xué)生科技大學(xué)學(xué)生) )在在NatureNature上報(bào)道了第一個(gè)上報(bào)道了第一個(gè)實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)隱形傳送的試驗(yàn)。該論文轟實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)隱形傳送的試驗(yàn)。該論文轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界和新聞界，后被動(dòng)了學(xué)術(shù)界和新聞界，后被NatureNature評(píng)為評(píng)為2020世紀(jì)最有

20、影響的世紀(jì)最有影響的2121篇經(jīng)典論文之一；篇經(jīng)典論文之一；19981998年，意大利學(xué)者在年，意大利學(xué)者在Physical Review Physical Review LettersLetters上發(fā)表了另一個(gè)光子隱形傳態(tài)的論文上發(fā)表了另一個(gè)光子隱形傳態(tài)的論文；19981998年底，美國(guó)學(xué)者分別在年底，美國(guó)學(xué)者分別在ScienceScience和和NatureNature上報(bào)道新的試驗(yàn)。上報(bào)道新的試驗(yàn)。2 2、量子密集編碼、量子密集編碼 量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送單個(gè)光子束傳輸量子密集編碼可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送單個(gè)光子束傳輸兩個(gè)比特的信息。兩個(gè)比特的信息。量子密集編碼原理圖量子密集編碼原理圖特點(diǎn)：特點(diǎn)

21、：(1) (1) 保密性高；保密性高；(2) (2) 增大信息傳送速率，適用于緊急場(chǎng)合。增大信息傳送速率，適用于緊急場(chǎng)合。1、對(duì)34位十進(jìn)制的數(shù)進(jìn)行因子分解，約需要 一年；2、對(duì)200位數(shù)需要的時(shí)間約相當(dāng)于宇宙的壽命宇宙的壽命n數(shù)學(xué)家證明，數(shù)學(xué)家證明，這種狀況在經(jīng)典物理范圍內(nèi)是這種狀況在經(jīng)典物理范圍內(nèi)是不可能從本質(zhì)上解決的不可能從本質(zhì)上解決的。經(jīng)典計(jì)算的極限經(jīng)典計(jì)算的極限(1)(1)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的極限(2)計(jì)算機(jī)基本上是位（0 and 1）的陣列。過(guò)去50年中，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度每?jī)赡暝黾右槐?。?jì)算機(jī)的尺寸每?jī)赡昕s小一半。計(jì)算機(jī)是物理器件，基本工作過(guò)程用物理學(xué)描述。但是器件的尺寸再小的話就要考慮量

22、子效應(yīng)。Intel 公司cpu集成度可是當(dāng)集成電路線寬小于0.1微米時(shí)，其波動(dòng)性質(zhì)便不可忽略，這樣，不得不考慮量子效應(yīng)的影響。Semiconductor Industry Association 尺寸逼近納米尺度時(shí)將出現(xiàn)一系列尺寸逼近納米尺度時(shí)將出現(xiàn)一系列量子量子物理效應(yīng)物理效應(yīng)在一毫米見(jiàn)方的單晶硅片上制成在一毫米見(jiàn)方的單晶硅片上制成的集成電路可以穿過(guò)針眼。的集成電路可以穿過(guò)針眼。 90年代中期年代中期Intel公司宣稱(chēng)，公司宣稱(chēng)，在一枚小硬幣尺寸的奔騰在一枚小硬幣尺寸的奔騰(Pentium)芯片上包含芯片上包含500萬(wàn)個(gè)萬(wàn)個(gè)晶體管，刻蝕線寬不到微米。晶體管，刻蝕線寬不到微米。 但由摩爾第一定

23、律：電腦芯片每18個(gè)月其上的晶體管翻一番，其主要技術(shù)是通過(guò)減少導(dǎo)線和元件尺寸來(lái)達(dá)到的。隨著尺寸的不斷減小，其電子的量子效應(yīng)不斷增加，以至以經(jīng)典物理為基礎(chǔ)的微電子學(xué)在電腦芯片的發(fā)展受到不可逾越的瓶頸。據(jù)科學(xué)家估計(jì)到2025年，電腦芯片的速度將達(dá)到物理極限。信息的代價(jià)我們知道，信息是可以被精確測(cè)量，并且需要一定量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)。IBM研究實(shí)驗(yàn)室的羅爾朗道在思考物理極限對(duì)于計(jì)算機(jī)處理信息能力的限制時(shí)，提出了朗道原理。朗道原理信息的擦除必然伴隨著熱量的釋放。信息的代價(jià)朗道原理指出，只要有一個(gè)比特的信息被擦除就會(huì)有一小部分能量以熱的形式釋放到環(huán)境中，散失的能量與環(huán)境的溫度成比例，在室溫中，大致相

24、當(dāng)于一個(gè)空氣分子的動(dòng)能。信息的代價(jià)以計(jì)算機(jī)中邏輯與門(mén)為例。在電路中實(shí)現(xiàn)邏輯與門(mén)時(shí)，有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，用二進(jìn)制表示為： 1 & 1=1 1 & 0=0 0 & 1=0 0 & 0=0ABY000010100111Y=A & B;(Y=AB)信息的代價(jià)那么在運(yùn)算結(jié)果是“0”時(shí)，我們無(wú)法確定輸入是什么，因?yàn)橛腥N不同的輸入： 1 & 0=0 0 & 1=0 0 & 0=0 導(dǎo)致的是相同的結(jié)果“0”。也就是說(shuō)邏輯與門(mén)實(shí)現(xiàn)的操作是不可逆的。信息的代價(jià)這樣，邏輯與門(mén)會(huì)損失一部分信息，使原來(lái)不相同的選擇變得不可區(qū)分。也即信息的擦除。正是有了

25、信息的擦除，使得實(shí)現(xiàn)與門(mén)操作必須付出朗道熱力學(xué)代價(jià)，不可利用的能量以熱的形式耗散。如果計(jì)算機(jī)是由不可逆的邏輯門(mén)構(gòu)造的，能耗是不可避免的。那么我們能不能用可逆的邏輯操作來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算呢？答案是肯定的。這也就引出了量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的提出 量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，其目的是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的小型化和集成化成為一個(gè)重要的目標(biāo)，但隨著芯片體積的縮小和集成度的提高，能耗對(duì)芯片的影響越來(lái)越大，能耗也制約著集成度，限制計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。20世紀(jì)60年代， IBM公司研究室的 Rolf Landauer發(fā)現(xiàn)：能耗的產(chǎn)生是由于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。在經(jīng)典計(jì)

26、算過(guò)程中要損失自由度，是不可逆過(guò)程，根據(jù)熱力學(xué)定律，必然會(huì)產(chǎn)生一定熱量。如果能把所有不可逆操作變成可逆操作，在理論上就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗的計(jì)算。這種可逆計(jì)算機(jī)的設(shè)想就是后來(lái)的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)研究量子計(jì)算機(jī)的目的： 一是提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度； 二是減少計(jì)算機(jī)的能耗。 為了突破計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極限，人們開(kāi)始不斷研發(fā)新的計(jì)算機(jī)芯片，其中光子計(jì)算機(jī)，生物計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)是前景最光明的三方面。光子計(jì)算機(jī)是 根據(jù)光學(xué)空間的多維特性，為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)新的邏輯結(jié)構(gòu)和運(yùn)算原理。 并充分利用光子元件體積小、傳送信息速度快的特點(diǎn)，用超高速大容量的光子元件替代目前計(jì)算機(jī)中使用的硅化學(xué)元件，用光導(dǎo)纖維或光波替代普通金屬

27、導(dǎo)線。用光二極管和光三極管替代普通的晶體管等。生物計(jì)算機(jī)是通過(guò)對(duì)生物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳遞、信息處理等原理的進(jìn)一步研究，設(shè)計(jì)全新的仿生模式計(jì)算機(jī)，并與人工智能的研究相互借鑒、共同發(fā)展。模擬生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和酶等物質(zhì)的產(chǎn)生過(guò)程，制造出仿生集成芯片來(lái)替代目前計(jì)算機(jī)中使用的半導(dǎo)體元件。 那么到底什么是量子計(jì)算機(jī)呢？量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)與前兩種計(jì)算機(jī)完全不同，它是一種采用基于量子力學(xué)的深層次的計(jì)算模式的計(jì)算機(jī)，運(yùn)用量子信息學(xué)，構(gòu)建一個(gè)完全以量子位為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)芯片。這一模式只由物質(zhì)世界中一個(gè)原子的行為所決定，而不是像傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)那樣將信息分為0和1，用晶體管的開(kāi)與關(guān)來(lái)處理這些信息 。對(duì)經(jīng)典計(jì)

28、算機(jī)來(lái)說(shuō)，信息或者數(shù)據(jù)由二進(jìn)制數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)，每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位由0或1表示。一個(gè)二進(jìn)制位(bit)只能存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)，n個(gè)二進(jìn)制位只能存儲(chǔ)n個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)或者1個(gè)n位二進(jìn)制數(shù) 。在量子力學(xué)中，我們可以用原子的自旋或者二能級(jí)態(tài)（激發(fā)態(tài)和基態(tài)）構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)位，我們稱(chēng)之為量子位(qubit)。量子位可以是0或者1，也可以同時(shí)是0和1的疊加態(tài) 。由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，使得量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)量子平行算法，從而在許多問(wèn)題上可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)大大減少操作次數(shù)。在量子計(jì)算機(jī)里，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)據(jù)，n個(gè)量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)2n 個(gè)數(shù)據(jù)，從而大大提高了存儲(chǔ)能力。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)將能夠在數(shù)秒鐘

29、內(nèi)完成目前速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)年才能完成的計(jì)算任務(wù)。 量子計(jì)算機(jī)原理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的是二進(jìn)制數(shù)字位(bit，比特)0和1。量子計(jì)算機(jī)則操縱著昆比特。一個(gè)昆比特說(shuō)明一個(gè)單粒子能存在于0或1的狀態(tài)，或者同時(shí)存在于0和1的狀態(tài)。這說(shuō)明昆比特可以表示的狀態(tài)多。而且量子重疊態(tài)允許同時(shí)進(jìn)行許多運(yùn)算，這就是已知的量子平行，可以大大減少計(jì)算時(shí)間。量子計(jì)算機(jī)中心部分的量子記錄與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比首先它沒(méi)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的盒式外殼，看起來(lái)像是一個(gè)被其他物質(zhì)包圍的巨大磁場(chǎng)。其次它不能像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)那樣利用硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。但它有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，吸引眾多的國(guó)家和實(shí)體投入巨大的人力、物力去研究。 首先首先量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)

30、據(jù)不像傳統(tǒng)計(jì)算量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣分步進(jìn)行，而是機(jī)那樣分步進(jìn)行，而是同時(shí)同時(shí)完成，這樣完成，這樣就節(jié)省了不少時(shí)間，適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)就節(jié)省了不少時(shí)間，適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算計(jì)算。它的速度足夠讓物理學(xué)家去模擬。它的速度足夠讓物理學(xué)家去模擬原子爆炸和其他的物理過(guò)程。原子爆炸和其他的物理過(guò)程。 量子計(jì)算機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是微型化、集成化。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展，所有的電子器件都在朝著小型化和高集成化方向發(fā)展，而作為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片一直是這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)先者，但由于晶體管和芯片受材料的限制，體積減小是有個(gè)限度的，最終不能達(dá)到原子水平。而每個(gè)量子元件尺寸都在原子尺度，由它們構(gòu)成的量子計(jì)

31、算機(jī)，不僅運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大、功耗低，體積還會(huì)大大縮小?？梢韵胂笠粋€(gè)可以放在口袋中的超高速計(jì)算機(jī)是什么樣嗎？還有直徑只有幾十厘米的人造衛(wèi)星。 最后量子計(jì)算機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時(shí)，輸入的原始數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)繞過(guò)，進(jìn)入系統(tǒng)的正確部分進(jìn)行正常運(yùn)算，運(yùn)算能力相當(dāng)于1000億個(gè)奔騰處理器，運(yùn)算速度比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)快100倍。光學(xué)計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)的能力上要比電子計(jì)算機(jī)高1000多倍，處理信息的速度為每秒10億次，接近于人腦的思維能力。 量子計(jì)算機(jī)為什么會(huì)有這么大的威力呢？其根本原因在于構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本單元量子比特（q-bit），它具有奇妙的性質(zhì)，這種性質(zhì)必須用量子力學(xué)來(lái)解釋?zhuān)虼朔Q(chēng)為量子

32、特性。為了更好地理解什么是量子比特，讓我們看看經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特與量子計(jì)算機(jī)的量子比特有什么不同。我們現(xiàn)在所使用的計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算，在任何時(shí)刻一個(gè)存儲(chǔ)器位代表0或1，例如在邏輯電路中電壓為5V表示1，0V表示0，如果出現(xiàn)其他數(shù)值 計(jì) 算 機(jī) 就 會(huì) 以 為 是 出 錯(cuò) 了 。而量子比特是由量子態(tài)相干疊加而成，一個(gè)具有兩種狀態(tài)的系統(tǒng)可以看作是一個(gè)“二進(jìn)制”的量子比特，在量子世界里物質(zhì)的狀態(tài)是捉摸不定的，如電子的位置可以在這里同時(shí)也可以在那里，原子的能級(jí)在某一時(shí)刻可以處于激發(fā)態(tài)，同時(shí)也可以處于基態(tài)。我們就采用有兩個(gè)能級(jí)的原子來(lái)做量子計(jì)算機(jī)的q-bit?，F(xiàn)在我們規(guī)定原子在基態(tài)時(shí)記

33、為 |0，在激發(fā)態(tài)時(shí)原子的狀態(tài)記為 |1 ，而原子具體處于哪個(gè)態(tài)我們可以通過(guò)辨別原子光譜得以了解。微觀世界的奇妙之處在于，原子除了保持上述兩種狀態(tài)之外，還可以處于兩種態(tài)的線性疊加，記為 |=a |1+ b |0 ，其中a，b分別代表原子處于兩種態(tài)的幾率幅。如此一來(lái)，這樣的一個(gè)q-bit不僅可以表示單獨(dú)的“0”和“1”（a=0時(shí)只有“0”態(tài)，b=0時(shí)只有“1”態(tài)），而且可以同時(shí)既表示“0”，又表示“1”（a,b都不為0時(shí)）。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，假如有一個(gè)由三個(gè)比特構(gòu)成的存儲(chǔ)器，如果是由經(jīng)典比特構(gòu)成則能表示000，001，010，011，100，101，110，111這8個(gè)二進(jìn)制數(shù)，即07這8個(gè)十進(jìn)

34、制數(shù)，但同一時(shí)刻只能表示其中的一個(gè)數(shù)。若此存儲(chǔ)器是由量子比特構(gòu)成，如果三個(gè)比特都只處于 |0或 |1則能表示與經(jīng)典比特一樣的存儲(chǔ)器，但是量子比特還可以處于 |0與 |1的疊加態(tài)，假設(shè)三個(gè)q-bit每一個(gè)都是處于( |0+ |1) / (2) 態(tài)。那么它們組成的量子存儲(chǔ)器將表示一個(gè)新的狀態(tài)，用量子力學(xué)的符號(hào)，可記做：|0|0|0+ |0|0|1+ |0|1|0+ |0|1|1+ |1|0| 0 + | 1 | 0 | 1 + | 1 | 1 | 0 + | 1 | 1 | 1 不難看出，上面這個(gè)公式表示8種狀態(tài)的疊加，既在某一時(shí)刻一個(gè)量子存儲(chǔ)器可以表示8個(gè)數(shù)一個(gè)量子重疊態(tài)運(yùn)行一個(gè)昆比特位同時(shí)儲(chǔ)存

35、0和1。兩個(gè)昆比特位能同時(shí)儲(chǔ)存所有的4個(gè)二進(jìn)制數(shù)。三個(gè)昆比特位能儲(chǔ)存8個(gè)二進(jìn)制數(shù)000，001，010，011，100，101，110和111。下表表明300個(gè)昆比特位能同時(shí)儲(chǔ)存多于1090個(gè)數(shù)字。這甚至多于我們這個(gè)可見(jiàn)宇宙中的原子數(shù) 。量子計(jì)算機(jī)原理昆比特昆比特（qubits）同事存儲(chǔ)數(shù)字的數(shù)目同事存儲(chǔ)數(shù)字的數(shù)目可存儲(chǔ)總數(shù)可存儲(chǔ)總數(shù)1(0 and 1)21=12(0 and 1)(0 and 1)22=22=43(0 and 1)(0 and 1)(0 and 1)222=23=8.300(0 and 1)(0 and 1).(0 and 1)22.2=2300量子計(jì)算機(jī)原理假設(shè)現(xiàn)在我們想求

36、一個(gè)函數(shù)f(n)，(n07)的值，采用經(jīng)典計(jì) 算 的 辦 法 至 少 需 要 下 面 的 步 驟 ：存儲(chǔ)器清零賦值運(yùn)算保存結(jié)果再賦值運(yùn)算再保存結(jié)果對(duì)每一個(gè)n都必須經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器的賦值和函數(shù)f(n)的運(yùn)算等步驟，且 至 少 需 要 8 個(gè) 存 儲(chǔ) 器 來(lái) 保 存 結(jié) 果 。 如果是用量子計(jì)算機(jī)來(lái)做這個(gè)題目則在原理上要簡(jiǎn)潔的多，只需用一個(gè)量子存儲(chǔ)器，把各q-bit制備到( |0+ |1) / (2)態(tài)上就一次性完成了對(duì)8個(gè)數(shù)的賦值，此時(shí)存儲(chǔ)器成為態(tài) |，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換以完成函數(shù)f(n)的功能，變換后的存儲(chǔ)器內(nèi)就保存了所需的8個(gè)結(jié)果。這種能同時(shí)對(duì)多個(gè)態(tài)進(jìn)行操縱，所謂“量子并行計(jì)算”的性質(zhì)正是

37、量子計(jì)算機(jī)巨大威力的奧秘所在。 量子計(jì)算機(jī)原理量子并行計(jì)算如果用計(jì)算機(jī)計(jì)算1234X3433，能夠在幾秒內(nèi)出結(jié)果，但要用它計(jì)算4236322的所有因子并不容易。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加，要分解一個(gè)129位的數(shù)字需要1600臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作個(gè)月，而要分解一個(gè)140位的數(shù)字所需的時(shí)間超過(guò)了美國(guó)的年齡。但是利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，在幾秒內(nèi)就可得到結(jié)果。 量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度由于量子計(jì)算機(jī)采用量子并行計(jì)算，使得大數(shù)因式分解成為可能，還可以用來(lái)模擬量子系統(tǒng)。而這些在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上是不可能實(shí)現(xiàn)的。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度如在大數(shù)因式分解方面，量子計(jì)算機(jī)對(duì)1000位的大數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解需

38、幾分之一秒，而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)對(duì)1000位的大數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解則需1025年。足見(jiàn)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，由40個(gè)自旋為12的粒子構(gòu)成的一個(gè)量子系統(tǒng)，利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，至少需要內(nèi)存為240=106M，而計(jì)算其時(shí)間演化，就需要求一個(gè) 240 X 240維矩陣的指數(shù) 。這是不可能實(shí)現(xiàn)的。利用量子計(jì)算機(jī)，卻只需要40個(gè)量子比特，就足以用來(lái)模擬。 可逆邏輯操作能耗會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)芯片的發(fā)熱，影響芯片的集成度，從而限制了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。由朗道原理知道，能耗產(chǎn)生于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。研究可逆邏輯操作是為了減少能耗。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)的能耗遠(yuǎn)比每個(gè)邏輯操作所需要的朗道熱力學(xué)代

39、價(jià)大得多，約為100萬(wàn)倍?？赡孢壿嫴僮魅缦聢D，以異或門(mén)為例，將不可逆異或門(mén)改進(jìn)為可逆異或門(mén) ?？赡孢壿嫴僮鬟@樣，將不可逆邏輯操作變?yōu)榭赡孢壿嫴僮?，且后?lái)有人嚴(yán)格證明了，所有經(jīng)典不可逆的計(jì)算機(jī)都可以改造為可逆計(jì)算機(jī)，而不 影 響 其 計(jì) 算 能 力 。UNSW 設(shè)計(jì)的核自旋量子計(jì)算機(jī) 以五分子為硬件的NMR 量子計(jì)算機(jī) 荷蘭科學(xué)家最近成功利用兩個(gè)量子比特（quantum bit，簡(jiǎn)稱(chēng)qubit），實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算過(guò)程。這一研究成果表明，科學(xué)家向著量子計(jì)算機(jī)的方向又邁進(jìn)了重要的一步。相關(guān)論文發(fā)表在6月14日的自然雜志上。 荷蘭代夫特工業(yè)大學(xué)（Delft University of Technolog

40、y）的科學(xué)家利用現(xiàn)有的芯片制造工藝，分別研究了利用微超導(dǎo)環(huán)和量子點(diǎn)產(chǎn)生的兩種類(lèi)型的量子比特。最終，量子傳輸研究小組成功地利用超導(dǎo)環(huán)，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)量子比特的“控制非” 運(yùn)算，這也為其他的量子運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)。量子計(jì)算機(jī)主要基于量子系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)（糾纏態(tài)等），而量子比特正是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建單位。一個(gè)量子比特能夠以兩種狀態(tài)同時(shí)存在，而且量子比特?cái)y帶的信息之間能夠以特殊的方式相互“糾纏”。與電子計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)的性能更加優(yōu)越，它們有望能夠完成任何普通計(jì)算機(jī)都無(wú)法完成的工作。Nature 447, 836-839 (14 June 2007) | doi:10.1038/nature058

41、96; Received 21 February 2007; Accepted 26 April 2007澳大利亞科學(xué)家在量子科學(xué)方面獲得了重大的突破，他們?cè)贗QOQI（Institute of Quantum Optics and Quantum Information，量子光學(xué)及量子信息學(xué)會(huì)）成功的實(shí)現(xiàn)了首個(gè)用8個(gè)鈣離子組成的量子字節(jié)（Quantum Byte）。 美國(guó)伊利諾大學(xué)香檳分校的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種解出算法結(jié)果的奇特方法，通過(guò)量子計(jì)算和量子盤(pán)查，在不運(yùn)行算法的情況下就能得出結(jié)果。研究人員使用一個(gè)基于光學(xué)的量子計(jì)算機(jī)首次向人展示了“反事實(shí)計(jì)算”，即計(jì)算機(jī)在不運(yùn)行的情況下也能推斷出答案相

42、關(guān)的信息。但是，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展也存在不少因難。目前國(guó)際上量子計(jì)算機(jī)研制的四大技術(shù)難關(guān)是：量子隱性遠(yuǎn)程傳態(tài)測(cè)量中的波包塌縮；多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散；量子退相干效應(yīng)；量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運(yùn)行量子態(tài)。 其中的多自由度系統(tǒng)環(huán)境中小系統(tǒng)的量子耗散，直接影響量子計(jì)算機(jī)的正確讀數(shù)。因?yàn)樵谧x取的瞬間表示信息的原子狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而造成各種失真。為了克服這一難點(diǎn)，科學(xué)家們發(fā)明了一種讀取方法核磁共振技術(shù)。我們通過(guò)給粒子加一個(gè)數(shù)值固定的外磁場(chǎng)，因它們有不同的極化方向和自旋取向，從而能夠在磁場(chǎng)中以某種特定狀態(tài)存在，如果在此基礎(chǔ)上在加一個(gè)交變電場(chǎng)，改變頻率便可有效控制粒子的運(yùn)動(dòng)，使之

43、一種運(yùn)動(dòng)形式代表一個(gè)數(shù)據(jù)。 原子在磁場(chǎng)中的不同取向 而對(duì)于量子固體電路如何在常態(tài)（常溫、常壓等）中運(yùn)行量子態(tài)?，F(xiàn)在我們可以通過(guò)最新的原子芯片技術(shù)，利用在硅片上刻蝕金屬導(dǎo)線。當(dāng)其通過(guò)電流是在其100微米上形成磁勢(shì)阱，從而形成BEC（波色愛(ài)因斯坦凝聚 ）。在常溫下形成量子態(tài)。 現(xiàn)在，用原子實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)只有5個(gè)q-bit，放在一個(gè)試管中而且配備有龐大的外圍設(shè)備，只能做1+1=2的簡(jiǎn)單運(yùn)算，正如Bennett教授所說(shuō)，“現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具，真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”。 到那時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種工業(yè)，可以將原子計(jì)算設(shè)備嵌入到任何東西當(dāng)中去。不必再像現(xiàn)在這樣將一臺(tái)PC

44、機(jī)放在桌子上，也許到那時(shí)候桌子本身就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，汽車(chē)輪胎可以計(jì)算速度和閘動(dòng)力，醫(yī)生可以將微型計(jì)算機(jī)插入到人體血液中以殺死腫瘤細(xì)胞管現(xiàn)在這些還只是科學(xué)幻想中的故事，但是隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，一定會(huì)實(shí)現(xiàn)的。 雖然迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。但是，世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。人類(lèi)探詢未來(lái)，探索科技的腳步從未停息 。3 3、 量子通信網(wǎng)絡(luò)量子通信網(wǎng)絡(luò)ACBD量子存量子存儲(chǔ)器儲(chǔ)器存儲(chǔ)量子信息，處存儲(chǔ)量子信息，處理理(運(yùn)算運(yùn)算)量子信息。量子信息。量子存儲(chǔ)器量子存儲(chǔ)器量子通道量子通道傳送量子信息。傳送量子信息。用途：開(kāi)拓新的通信原理和方法。用途：開(kāi)拓新的通信原理

45、和方法。例：例：(1)(1)網(wǎng)絡(luò)量子密碼網(wǎng)絡(luò)量子密碼;(2);(2)分布量子計(jì)算。分布量子計(jì)算。 2004 2004 年年6 6 月月3 3 日日, ,世界上第一個(gè)世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋城正式投入運(yùn)行。主持這套網(wǎng)絡(luò)劍橋城正式投入運(yùn)行。主持這套網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的是美國(guó)建設(shè)的是美國(guó)BBN BBN 技術(shù)公司。這個(gè)量技術(shù)公司。這個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)已成功地實(shí)現(xiàn)了該公子密碼通信網(wǎng)絡(luò)已成功地實(shí)現(xiàn)了該公司與哈佛大學(xué)之間的連接司與哈佛大學(xué)之間的連接, ,且很快就且很快就延伸至波士頓大學(xué)。新的量子密碼通延伸至波士頓大學(xué)。新的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)完全兼容

46、信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)技術(shù)完全兼容, ,網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為網(wǎng)絡(luò)傳輸距離約為10 10 千米。千米。五、量子計(jì)算機(jī)五、量子計(jì)算機(jī)經(jīng)典經(jīng)典量子量子可存儲(chǔ)可存儲(chǔ)0 0或或1 1（一個(gè)數(shù)）（一個(gè)數(shù)）可同時(shí)存儲(chǔ)可同時(shí)存儲(chǔ)0 0和和1 1（兩個(gè)數(shù)）（兩個(gè)數(shù)）一個(gè)存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)器兩個(gè)存儲(chǔ)器兩個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)經(jīng)量量典典子子可存儲(chǔ)可存儲(chǔ)00,01,1000,01,10或或11(11(一個(gè)數(shù)一個(gè)數(shù)) )可同時(shí)存儲(chǔ)可同時(shí)存儲(chǔ)00,01,10,11(00,01,10,11(四個(gè)數(shù)四個(gè)數(shù)) )N N個(gè)存儲(chǔ)器個(gè)存儲(chǔ)器經(jīng)典：可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)（經(jīng)典：可存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)（2 2N N個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù)）個(gè)可能的數(shù)之中的一個(gè)數(shù)）量子：可同時(shí)存儲(chǔ)量

47、子：可同時(shí)存儲(chǔ)2 2N N個(gè)數(shù)個(gè)數(shù) 因此，量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的因此，量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力是經(jīng)典的2 2N N倍，倍，且隨且隨N N指數(shù)增長(zhǎng)。指數(shù)增長(zhǎng)。 例如，例如，N=250,N=250,量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。比宇宙中原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的變換。計(jì)算是對(duì)數(shù)據(jù)的變換。經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，只變換一個(gè)數(shù)據(jù)。個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，只變換一個(gè)數(shù)據(jù)。 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)N個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，同時(shí)變換個(gè)存儲(chǔ)器運(yùn)算一次，同時(shí)變換2 2N N個(gè)數(shù)據(jù)。個(gè)數(shù)據(jù)。 可見(jiàn)：對(duì)可見(jiàn)：對(duì)N N個(gè)量子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作，個(gè)量

48、子存儲(chǔ)器實(shí)行一次操作，其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行其效果相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行2 2N N次操作。次操作。 這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。 采用合適的量子算法，這個(gè)能力可以大采用合適的量子算法，這個(gè)能力可以大大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。 現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)在廣泛使用的RSA公開(kāi)密鑰：加密密鑰、加密變換、公開(kāi)密鑰：加密密鑰、加密變換、解密變換均是公開(kāi)的，但解密密鑰是保密的。解密變換均是公開(kāi)的，但解密密鑰是保密的。 Shor 量子并行算法量子并行算法1994年，量子信息領(lǐng)域的里程碑工作，年，量子信息領(lǐng)域的里程碑工作，獲獲1998年世界

49、數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng)。年世界數(shù)學(xué)家大會(huì)最高獎(jiǎng)。這個(gè)算法可以求解這個(gè)算法可以求解“大數(shù)因子分解大數(shù)因子分解”難題。難題。 這類(lèi)大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問(wèn)題這類(lèi)大數(shù)因子分解是個(gè)難解的數(shù)學(xué)問(wèn)題(NP問(wèn)題問(wèn)題)。其安全性依賴于其安全性依賴于“單向單向”函數(shù)函數(shù)127229？ 很容易計(jì)算很容易計(jì)算？29083 很難計(jì)算很難計(jì)算 分解分解N 運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長(zhǎng)度運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長(zhǎng)度logN 指數(shù)增長(zhǎng)，用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的。指數(shù)增長(zhǎng)，用經(jīng)典計(jì)算是難以計(jì)算的。例例若若N=250， 要用要用8105年年 N=1000，要用，要用1025年年( (比宇宙年齡還長(zhǎng)比宇宙年齡還長(zhǎng)) )N=129位，位，1

50、994年年1600臺(tái)工作站花了臺(tái)工作站花了8個(gè)月分解成功。個(gè)月分解成功。 Shor算法證明，采用量子計(jì)算算法證明，采用量子計(jì)算機(jī)并行計(jì)算，分解機(jī)并行計(jì)算，分解N N的時(shí)間隨的時(shí)間隨logN 的多項(xiàng)式增長(zhǎng)的多項(xiàng)式增長(zhǎng)(即可解問(wèn)題即可解問(wèn)題)。 一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，現(xiàn)有的有的RSARSA密鑰將無(wú)密可保。密鑰將無(wú)密可保。 目前在實(shí)驗(yàn)上，一個(gè)推廣了的目前在實(shí)驗(yàn)上，一個(gè)推廣了的ShorShor算法已經(jīng)在核磁共振中得到實(shí)現(xiàn)。算法已經(jīng)在核磁共振中得到實(shí)現(xiàn)。 Grove量子搜尋算法量子搜尋算法問(wèn)題：從問(wèn)題：從N個(gè)未分類(lèi)的客體中尋找出某個(gè)特定客體。個(gè)未分類(lèi)的客體中尋找出某個(gè)特定客體

51、。例如，從按姓序排列的例如，從按姓序排列的106個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定個(gè)電話號(hào)碼中找出某個(gè)特定的號(hào)碼。的號(hào)碼。經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)一個(gè)個(gè)查詢，直到找到所要的號(hào)碼。平一個(gè)個(gè)查詢，直到找到所要的號(hào)碼。平均講，要查均講，要查 次，找到的幾率為為。次，找到的幾率為為。N2121量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)采用并行處理，只需采用并行處理，只需 次，次，找到的幾率接近找到的幾率接近100(Grover算法算法)。N這個(gè)算法應(yīng)用廣泛：這個(gè)算法應(yīng)用廣泛：尋找最大值，最小值，平均值，下棋，尋找最大值，最小值，平均值，下棋， 例例:可以有效地攻破可以有效地攻破DES(the data encryption standard)密碼體系密碼體系(問(wèn)題的本質(zhì)是從問(wèn)題的本質(zhì)是從256=71016可能的可能的密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰)。 若以每秒若