量子超級(jí)個(gè)人電腦(QSPC)光算機(jī)概論

量子超級(jí)個(gè)人電腦（QSPC）光算機(jī)概論。相關(guān)分類：電腦教程?上一頁1234下一頁?g950g950(組長)2007/9/11頂樓舉報(bào)量子光算機(jī)

"量子計(jì)算機(jī)"是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是"量子信息"，運(yùn)行的是"量子算法"時(shí)，它就是"量子計(jì)算機(jī)"。"量子計(jì)算機(jī)"的概念源于對(duì)"可逆計(jì)算機(jī)"的研究。研究"可逆計(jì)算機(jī)"的目的是為了解決計(jì)算機(jī)中的"能耗問題(散熱問題)"。

20世紀(jì)60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)"能耗(熱量)"會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)中的芯片發(fā)熱，極大地影響了"芯片的集成度"，從而限制了"計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度"。研究發(fā)現(xiàn)，能耗(熱量)來源于"計(jì)算過程中的不可逆操作"。那么是否計(jì)算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有"古典計(jì)算機(jī)"都可以找到一種對(duì)應(yīng)的"可逆計(jì)算機(jī)"，而且不影響"運(yùn)算能力"。既然計(jì)算機(jī)中的每一步操作都可以"改造為可逆操作"，那么在量子力學(xué)中，它就可以用一個(gè)幺正變換來表示。早期"量子計(jì)算機(jī)"，實(shí)際上是用量子力學(xué)語言描述的"古典計(jì)算機(jī)"，并沒有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的"疊加性"和"相干性"。在"古典計(jì)算機(jī)"中，基本信息單位為"比特(Bits)"，運(yùn)算對(duì)象是各種"比特序列(Bytes)"。與此類似，在"量子計(jì)算機(jī)"中，基本信息單位是"量子比特(quBits)"，運(yùn)算對(duì)象是"量子比特序列(quBytes)"。所不同的是，"量子比特序列(quBytes)"不但可以"處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上"，而且還可以"處于糾纏態(tài)上"。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了"量子并行計(jì)算"的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與"古典計(jì)算機(jī)"不同，"量子計(jì)算機(jī)"可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，"量子計(jì)算"對(duì)"古典計(jì)算"作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，"古典計(jì)算"可看作是一類特殊的"量子計(jì)算"。"量子計(jì)算機(jī)"對(duì)每一個(gè)"疊加分量"進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的"概率幅"疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作"量子并行計(jì)算"。除了進(jìn)行"并行計(jì)算"外，量子計(jì)算機(jī)的另一重要用途是"模擬量子系統(tǒng)"，這項(xiàng)工作是"古典計(jì)算機(jī)"無法勝任的。無論是"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(quBits)"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(quCode)"方案是："量子糾錯(cuò)碼(quECC)"、"量子避錯(cuò)碼(quEAC)"和"量子防錯(cuò)碼(quDMC)"。"量子糾錯(cuò)碼"是古典糾錯(cuò)碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不高。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的"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。如何實(shí)現(xiàn)"量子計(jì)算"，方案并不少，問題是"在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱"確實(shí)太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了"原子"和"光腔相互作用"、"冷阱束縛離子"、"電子或核自旋共振"、"量子點(diǎn)操縱"、"超導(dǎo)量子干涉"等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場(chǎng)，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像"半導(dǎo)體材料"對(duì)于目前"古典電子計(jì)算機(jī)"一樣。研究"量子計(jì)算機(jī)"的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。"量子計(jì)算機(jī)"使計(jì)算的概念煥然一新，這是"量子計(jì)算機(jī)"與其他計(jì)算機(jī)如："光計(jì)算機(jī)"和"生物計(jì)算機(jī)"等的不同之處。"量子計(jì)算機(jī)"的作用遠(yuǎn)不止是解決一些"古典計(jì)算機(jī)"無法解決的問題。想像口袋中裝著超高速電腦是什么樣子？「量子電腦」（QuantumComputer）有著比現(xiàn)在傳統(tǒng)電腦強(qiáng)大許多倍的計(jì)算能力。至今理論研究已日趨完善，然而目前世界上還沒有真正意義上的量子電腦，換句話說，可以實(shí)用量產(chǎn)的系統(tǒng)還未出。今年2月中旬，加拿大一家新成立的公司宣稱推出全球第一臺(tái)商用量子電腦，引起專家學(xué)者的質(zhì)疑和議論。也不禁令人遐想，量子電腦的時(shí)代提前來臨了嗎？量子電腦是根據(jù)原子或原子核所具有的量子學(xué)特性來工作，運(yùn)用量子情報(bào)學(xué)，基于量子效應(yīng)構(gòu)建的一個(gè)完全以量子位（quBits）為基礎(chǔ)的電腦。位于溫哥華的D-Wave公司宣稱，該公司以量子學(xué)原理所研發(fā)出的電腦將比當(dāng)今世上最優(yōu)質(zhì)電腦的操作系統(tǒng)快出許多倍來。這臺(tái)名為「Orion」（獵戶座）的電腦，使用傳統(tǒng)的平版印刷術(shù)，搭配核心的一塊超低溫、超導(dǎo)鈮芯片，可處理16個(gè)量子位（qubits）。核心芯片必須冷卻至接近絕對(duì)零度(-273.15℃)，以便其計(jì)算過程中維持量子狀態(tài)。該公司表示，這臺(tái)量子電腦可同時(shí)進(jìn)行6萬4,000個(gè)運(yùn)算程序。根據(jù)量子學(xué)定律，在電路圖所流動(dòng)的數(shù)位位可能代表的是0也可能是1，量子電腦有辦法應(yīng)付處理大量且更復(fù)雜的電腦指令。該公司的執(zhí)行長賀伯·馬?。℉erbMartin）表示，某些不同種類的問題是無法用數(shù)位電腦解決的。數(shù)位電腦很適于跑程序，量子電腦則對(duì)于應(yīng)付大量不同的可變因素很在行。D-Wave公司聲稱其于2月13日展示的量子電腦原型是全球第一臺(tái)商用電腦，內(nèi)裝有可以執(zhí)行16量子位（qubits）的量子芯片。該公司計(jì)劃在未來的18個(gè)月內(nèi)，于2007年底將速度提高到（32qubits），于2008年將速度提高到（512qubits）到（1024qubits），并開始提供商業(yè)租用。量子電腦的外型長得如何？當(dāng)前它的原型和大型的電冰箱一樣大，溫度更低。因?yàn)樗褂玫某瑢?dǎo)體電路必須冷凍保存，以便大量的運(yùn)算程序能夠順利進(jìn)行。

量子電腦有什么用途呢？

賀伯·馬丁表示，人類可以使用量子電腦來設(shè)計(jì)基因藥物。（每個(gè)人體細(xì)胞有3億個(gè)「基本成對(duì)數(shù)DNA」或者是著名「DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的梯」）；企業(yè)也可以用量子電腦來管理他們的產(chǎn)物供需鏈。馬丁說：「想想看，倘若某家公司有40個(gè)工廠并生產(chǎn)了100萬不同的零件，那么需要記錄的事務(wù)可就不少了。」量子電腦亦可被用于維護(hù)安全。由于911事件，許多各國政府及公司都紛紛重視生物統(tǒng)計(jì)學(xué)，建立了大量有關(guān)他們欲追蹤對(duì)象的圖片、指紋以及其他多樣種類方法的資料庫(DB)?？植婪肿用麊紊系娜?，即使能安全地通過海關(guān)檢查。藉由量子電腦基本上能夠快速地藉由先前已由安全局輸入的龐大資料庫中來再次校對(duì)是否對(duì)方為恐怖分子。

馬丁表示，該產(chǎn)品的推出證明量子電腦商業(yè)化這個(gè)技術(shù)的概念。D-Wave的潛在客戶是商業(yè)界。商業(yè)界人士不在乎這個(gè)技術(shù)如何可行，只要能解決他們復(fù)雜的商業(yè)方式。商業(yè)用途的電腦不需要太花俏的技術(shù)細(xì)節(jié)。事實(shí)上，D-Wave的電腦是一臺(tái)混血機(jī)種，使用傳統(tǒng)數(shù)位電腦，搭配量子芯片做為加速器或者副處理器（co-processor）。后端是一臺(tái)機(jī)架式電腦（rack-mountedPC）搭配處理器。主要的部分是這顆量子芯片，由鈮鋁超導(dǎo)材質(zhì)制成，冷凍存貯在氦液桶中。量子電腦之所以能達(dá)到高速運(yùn)算是因?yàn)樗幕举Y料單位為量子位（qubits），可以同時(shí)處理0和1，并快速處理所有的量子位（qubits）。目前我們使用的數(shù)位電腦計(jì)算一次只能處理一個(gè)資料位（databit）。

大多數(shù)的工程師都認(rèn)為量子電腦的技術(shù)還有一段遙遠(yuǎn)的路要走。實(shí)用的量子電腦至少還要10年以上的時(shí)間才會(huì)問世才對(duì)。D-Wave公司于今年2月13日發(fā)表這臺(tái)量子電腦原型，是通過網(wǎng)絡(luò)連結(jié)的方式聯(lián)機(jī)發(fā)表，更加引起專家學(xué)者質(zhì)疑其真實(shí)性。美國宇航局（NASA）位于加州Pasadena的JetPropulsion實(shí)驗(yàn)室的工程師AlanKleinsasser于3月7日公開承認(rèn)他們確曾為D-Wave量身訂制一顆特別的量子芯片。對(duì)于NASA的Microdevices實(shí)驗(yàn)室（隸屬于JetPropulsion實(shí)驗(yàn)室）工程師來說，接受客戶委托開發(fā)超導(dǎo)體線路芯片是一件很平常的事。他們也曾接受委托替紐約的HypresInc設(shè)計(jì)芯片，也曾替歐洲太空局（EuropeanSpaceAgency）的希瑟（Herschel）任務(wù)制造宇宙飛船設(shè)備。

量子電腦是否真如D-Wave所言不久后就會(huì)在現(xiàn)實(shí)生活中上演了呢?大多數(shù)的知名電腦公司對(duì)此感到質(zhì)疑。另有專家認(rèn)為，如果真能有這樣一臺(tái)實(shí)用的量子系統(tǒng)，特別在財(cái)務(wù)系統(tǒng)的加解密還很脆弱的此時(shí)，這將是一項(xiàng)重要的技術(shù)突破。但專家同時(shí)認(rèn)為，像D-Wave這樣的小公司若真擁有這樣的技術(shù)一定會(huì)積極發(fā)展，在他們獲得技術(shù)解決方案的5～8年內(nèi)，很可能被重量級(jí)的技術(shù)先驅(qū)如Intel和IBM網(wǎng)羅。利用量子電腦來「開創(chuàng)電腦新紀(jì)元」是世界上許多實(shí)驗(yàn)室熱情追逐的夢(mèng)想。D-Wave公司利用量子芯片和傳統(tǒng)電腦結(jié)合以達(dá)到其商業(yè)化的用途，雖然離學(xué)術(shù)上的專業(yè)還有一段距離，但似乎預(yù)告量子時(shí)代提前來臨的可能性。多數(shù)分析家表示，目前量子電腦的關(guān)鍵問題在對(duì)微觀量子態(tài)的操縱困難。也許將來人類會(huì)發(fā)現(xiàn)一種全新的設(shè)計(jì)、全新的材料，就像"半導(dǎo)體材料"對(duì)于"古典電機(jī)計(jì)算器（ENIAC）"的發(fā)展一樣。2008/1/9被g950g950最后編輯|查看全部g950g950(組長)2007/9/112樓舉報(bào)量子資訊淺談

由於科技日新月異，處理器的尺度越做越小、速度也越來越快?？墒怯伸顿Y訊的發(fā)達(dá)，人們對(duì)於尺度、速度的要求也相對(duì)的越來越高，也由於如此未來的科技也是必將趨向於小尺度的發(fā)展，但在越來越小尺度的同時(shí)也將會(huì)面臨的一個(gè)問題量子效應(yīng)。

今天信息科學(xué)在推動(dòng)社會(huì)文明進(jìn)步和提高人類生活質(zhì)量方面發(fā)揮著令人驚嘆的作用。但是現(xiàn)有信息系統(tǒng)的功能已接近於極限值。電子計(jì)算機(jī)在過去30年中，每個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)目隨時(shí)間成指數(shù)增長，這個(gè)被稱為摩爾定律的經(jīng)驗(yàn)法則預(yù)示著，10多年以後計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存單元將是單個(gè)原子，電子在電路中的行為將不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，於是就提出量子效應(yīng)究竟會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度產(chǎn)生什麼樣影響的問題。因此信息科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展必須借助於新的原理和新的方法。

由於量子特性在信息領(lǐng)域中有著獨(dú)特的功能，在提高運(yùn)算速度確保信息安全，增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面可能突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，因而量子力學(xué)便首先在信息科學(xué)中得到應(yīng)用，一門新的學(xué)科分支量子信息學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。該學(xué)科適量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以量子力學(xué)的疊加原理為基礎(chǔ)研究信息處理的一門新興前沿科學(xué)。量子信息學(xué)包括量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)、量子數(shù)據(jù)庫、量子病毒、量子黑客、量子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面，近年來在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了重大的突破。

有朝一日量子電腦真的能成為事實(shí)，除了速度快以外根據(jù)科學(xué)家的推測(cè)，它的作業(yè)速度將等於現(xiàn)在你每天都在使用的「古典騙錢多(IntelPentiumD)、A錢多(AMD)電腦」40億部同時(shí)使用例如：要完成一個(gè)64為數(shù)字的因子分解，即使現(xiàn)在的超級(jí)電腦也要花上比宇宙年齡還長的時(shí)間，然而原則上量子電腦卻可以在短時(shí)間內(nèi)求解這一問題，而且他還能做到許多當(dāng)前電腦做不到的事。目前量子電腦已經(jīng)由史前時(shí)代進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)時(shí)代了，人們?cè)谡覍じ噙m用於量子電腦的計(jì)算法則以能充分發(fā)揮量子電腦的功效。雖然我們還不知道量子電腦的研究何時(shí)才會(huì)變成工程問題，但是目前的成就已足使每個(gè)人振奮了。

讀過費(fèi)因曼(R.P.Feynman)的故事的人都知道，他也曾應(yīng)聘於某電腦公司去設(shè)計(jì)電腦。物理學(xué)家怎麼也設(shè)計(jì)起電腦來了？原來當(dāng)電腦越做越小、速度越來越快量子力學(xué)效應(yīng)就不能不考慮了。50年來幾乎每隔兩年電腦速度就加快一倍。大家可以想想身邊的個(gè)人電腦、從十幾年前的頻果二號(hào)電腦到現(xiàn)在的騙錢多核心就是一個(gè)例子。但是這個(gè)趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)下去嗎？總有一天路會(huì)走道盡頭、無論如何快訊息傳遞的速度不會(huì)快於光速。

無論積體電路做得如何小，總不會(huì)小過原子。當(dāng)這一天來臨時(shí)怎麼辦？這個(gè)世界將變成什麼樣子？其實(shí)幾十年前IBM公司的R.Landauer及C.H.Bennett就已經(jīng)在考慮這個(gè)問題了。他們要問的問題是：到底電路原件最小可以做到多小？計(jì)算過程中最少要花多少能量？電腦無論如何也該遵守物理定律例如：熱力學(xué)就告訴我們一個(gè)引擎的效率有一定的極限。那麼對(duì)於量子電腦，是否也有某些物理極限存在呢？80年代初期P.Benioff告訴我們?cè)瓌t上量子電腦是可行的。後來有英國的D.Deutsch及美國、以色列等的其他一些人也做過一些研究。不過80年代中期，這股熱潮卻又衰退了。主要原因是：他們研討的量子電腦「非常的抽象」；討論的問題總是一樣。例如：貝爾不等式、多世詮釋、EPR悖論等。而且跡象顯示量子電腦很容易出錯(cuò)卻不易修正（加上沒有遇到神）。

量子法則

量子電腦的研究運(yùn)用到了很多抽象的理論以及法則，在這里我們將討論到一條重要的量子法則，這條重要的法則就是：物理時(shí)在具有無法消除的隨機(jī)性，而且這種隨機(jī)性是人們無法預(yù)測(cè)的，我們稱只為不可約隨機(jī)性。物理時(shí)在顯現(xiàn)出至今尚未發(fā)現(xiàn)的法則所制約的隨機(jī)性以致出現(xiàn)種種奇異現(xiàn)象，使研究這些現(xiàn)象的人都困惑不解，甚至連量子理論的先驅(qū)們都深感震撼和吃驚。宇宙為什麼會(huì)在其最基本層次上賦予我們這樣一個(gè)無法排除的不確定性的根源呢？仔細(xì)的研讀從最初的奠基人到現(xiàn)在的量子物理學(xué)家們的手稿，不難看出他們所流露出來的困惑和迷惘，他們無法相信世界會(huì)是這樣構(gòu)造出來的。然而量子理論仍是迄今為止最成功的理論。由量子理論所做的預(yù)言與實(shí)際測(cè)量的吻合，達(dá)到史無前例的精確程度。它的大多數(shù)違背常規(guī)的預(yù)言不斷地為越來越多精巧實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。量子理論為我們提供了對(duì)物理世界的正確理解。并且量子理論在更大程度上將成為新的高科技量子技術(shù)的基石。毫無疑問自然界是按照量子法則建立起來的。然而盡管量子力學(xué)已獲得如此大的功勞，但對(duì)其爭(zhēng)論仍不斷持續(xù)著。有如此鮮明的世界怎會(huì)建立在無法消除的隨機(jī)性之上呢？答案尚未曾明。但它的關(guān)鍵在於量子隨機(jī)性的特質(zhì)。

如果在分束器的兩個(gè)輸出方向上各放置一個(gè)光子計(jì)數(shù)器，并且調(diào)低輸出光的強(qiáng)度，那麼我們會(huì)看到什麼現(xiàn)象呢？我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)所測(cè)到的光的強(qiáng)度開始起伏。有時(shí)L探測(cè)器上紀(jì)錄到的光子數(shù)會(huì)比U探測(cè)器上紀(jì)錄到的多一些，有時(shí)則剛好相反。雖然這些起伏可能相較於每個(gè)探測(cè)器上全部的光子計(jì)數(shù)要小的多，但當(dāng)我們繼續(xù)調(diào)低光的強(qiáng)度這個(gè)起伏就會(huì)變的非常顯著。在單光子水準(zhǔn)亦即在任何一個(gè)給定的時(shí)間間隔內(nèi)，我們至多只能紀(jì)錄到一個(gè)光子，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果：我們根本紀(jì)錄不到光子或者只有在U探測(cè)器上紀(jì)錄到一個(gè)光子而L探測(cè)器上沒有或者相反。每一個(gè)探測(cè)器上能否紀(jì)錄到光子是完全隨機(jī)的，就向投擲硬幣出現(xiàn)正面或反面一樣，即使我們完全知道輸入光的所有情況，也不能預(yù)言哪一個(gè)探測(cè)器將會(huì)紀(jì)錄到光子。如果我們?cè)趩喂庾拥乃疁?zhǔn)上一便又一便的重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)計(jì)數(shù)器上所紀(jì)錄到的光子大致是全部光子的一半。在這里我們接觸到了無法消除的隨機(jī)性。為了解釋這一實(shí)驗(yàn)，我們提出的觀點(diǎn)是：當(dāng)單個(gè)光子遇到分束器的時(shí)候，它將以相等的概率被反射或透射(這里我們假定了分束器并不吸收光子)。無論我們對(duì)輸入光的情形了解的如何詳細(xì)，都不能預(yù)言比這更多的內(nèi)容。我們所能獲得的全部知識(shí)就是這種奇怪的反射和透射現(xiàn)象。實(shí)際上我們已經(jīng)具備了關(guān)於光和分束器的精確理論，這就是量子理論。也許你可能會(huì)認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)更多地去了解關(guān)於光子和分束器的情況，以便能預(yù)言單個(gè)光子的確切路徑。也許光子可以分成兩類，一類會(huì)分束器反射、另一類則會(huì)被透射。也許每個(gè)光子都攜帶著控制他們自身行為的某種指令，當(dāng)他們遇到分束器時(shí)某種基因會(huì)告訴他們?cè)谶@種情況下該如何行事，借助於這樣的一種隱變量，我們當(dāng)然就找到了解釋光子在分束器上顯現(xiàn)出的隨機(jī)性行為的一種有效途徑。倘若量子理論不能告訴我們這個(gè)隱變量是什麼，那麼量子理論的處境可說是岌岌可危了，但是事實(shí)卻不然反而量子理論卻是屹立不搖，既然量子理論是那麼的屹立不搖，那麼就一定有個(gè)合理的解釋來說明隱變量，的確如此。

假定我們讓一束光連續(xù)第通過兩個(gè)分束器如圖二所示。輸入光束被分成相等的兩束，每束光沿著兩條分離的路徑傳播，直到再一次落到一個(gè)分束器上。我們稱這兩條路徑中的一條為上路徑(U路徑)，另一條為下路徑(L路徑)。在經(jīng)過第二個(gè)分束器之後，兩條輸出光分別落到一個(gè)光子計(jì)數(shù)器上，我們分別定為L和U。我們稍稍移動(dòng)上方的反射鏡來調(diào)整光學(xué)儀器內(nèi)部的路徑長度，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鏡子的位置，可以使得僅有L探測(cè)器能夠紀(jì)錄到光強(qiáng)，反之亦可使只有U探測(cè)器能紀(jì)錄到光強(qiáng)，關(guān)於這一點(diǎn)光的波動(dòng)理論很容易透過干涉效應(yīng)來解釋這些現(xiàn)象，干涉是波動(dòng)的本質(zhì)特性，但是如果光是粒子的話我們能否對(duì)這一現(xiàn)象做出合理的解釋呢？通常我們毋須這樣做，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所采取的光都很強(qiáng)，以致根本不必去探測(cè)單個(gè)光子，雖然不必去探測(cè)單個(gè)光子，但是我們可以使用單個(gè)光子來做實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在我們調(diào)整角度使兩個(gè)探測(cè)器的光強(qiáng)度達(dá)到總光強(qiáng)的一半，然後再調(diào)低光強(qiáng)達(dá)到單光子水準(zhǔn)(這里我們假定了一分束器并不吸收光子)，現(xiàn)在假設(shè)每一個(gè)光子都攜帶著一個(gè)基因或稱其為決定光子在分束器上是被反射還是被透射的隱變量。在圖二中我們將會(huì)看到，如果它被第一個(gè)分束器所反射，那它也會(huì)被第二的分束器所反射，而導(dǎo)致被U探測(cè)器所紀(jì)錄到。如果它是透射型的光子，最後也將被U探測(cè)器所紀(jì)錄到。很顯然的隱變數(shù)這種說法是不正確的?，F(xiàn)在我們所面臨的困難很明顯的，在很低強(qiáng)度的輸入下，我們每次只能計(jì)數(shù)到一個(gè)光子，每個(gè)光子在每一個(gè)分束器上的行為就像是在拋一枚硬幣，如果它要與在高光強(qiáng)下的實(shí)驗(yàn)觀察相符的話，實(shí)驗(yàn)輸出還必須依賴於儀器的路徑差，這樣才能與光的波動(dòng)理論相一致，而我們?cè)鯓硬拍馨堰@種不可約的隨機(jī)性同干涉聯(lián)系起來呢？關(guān)鍵在於找到一種方法，使得概率依賴於路徑差。通過對(duì)拉普拉斯規(guī)則和貝葉斯規(guī)則稍加改動(dòng)，量子力學(xué)終於對(duì)此作出解釋。首先概率不是最基本的，在一個(gè)更深層次上它是由概率幅所決定而概率幅是不像隱變量那樣地。我們有兩個(gè)概率幅(-1/2,1/2)和(-1/2,1/2)。兩個(gè)概率和是(0,0)。於是合成概率幅的平方和當(dāng)然是0，這表示該事件不會(huì)發(fā)生，盡管分事件中的概率不是0，而是由於我們實(shí)現(xiàn)了概率幅的相加，使得即使分事件中的概率不是0，合成事件的發(fā)生率仍可能為0。

量子糾纏

1982年在巴黎由AlainAspectc和她的合作者們所作的Aspectc實(shí)驗(yàn)解決了一個(gè)由愛因斯坦、波多耳斯基(BorisPodolsky)和羅孫(NathanRosen)於1935年所提出的問題。這三位學(xué)者發(fā)表了一篇已為現(xiàn)代人所熟知的題為EPR的論文。正是這篇論文引發(fā)了阿斯派克特(AlainAspectc)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)，不僅如此這篇論文仍是當(dāng)今物理學(xué)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域的起因，同時(shí)EPR將我們的注意力引向令人困惑的問題：量子糾纏(quanturnentanglement)。

在一場(chǎng)愛因斯坦與玻爾就量子論的爭(zhēng)論中，也許大多數(shù)的物理學(xué)家認(rèn)為玻爾贏得了這場(chǎng)爭(zhēng)論，但是對(duì)於愛因斯坦所提出的EPR理論，玻爾沒能給出一個(gè)確定式的回答，玻爾在EPR論文中看到在考慮多粒子體系時(shí)量子理論會(huì)導(dǎo)致純粹的量子效應(yīng)。量子理論的又一個(gè)奠基人薛丁格，將這樣的系統(tǒng)稱之為糾纏系統(tǒng)。正是在這種糾纏系統(tǒng)中，量子理論關(guān)於實(shí)在的觀點(diǎn)所表現(xiàn)出來的具有真正革命性的特徵變的越發(fā)明顯。

在EPR論文中量子理論被應(yīng)用到一個(gè)兩粒子的系統(tǒng)。這兩粒子在初始的某個(gè)時(shí)刻相互作用，然後它們被沿著相反的方向移開。在一時(shí)間之後，他們已經(jīng)被分開一段非常大的距離，這兩個(gè)粒子分別進(jìn)入一個(gè)測(cè)量裝置已確定每一個(gè)粒子的某一種古典性質(zhì)。例如：測(cè)量每一個(gè)粒子的動(dòng)量或者測(cè)量一個(gè)粒子的動(dòng)量而測(cè)量另外一個(gè)粒子的位置。其中很關(guān)鍵的一點(diǎn)在於：由於這兩個(gè)粒子在過去以某種特殊的方式發(fā)生了交互作用，所以這兩個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果之間將存在著很強(qiáng)的關(guān)系。舉例來說：如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子有特殊的動(dòng)量，這對(duì)粒子中的另一個(gè)將恰好有一個(gè)與其大小相等方向相反的動(dòng)量。由於存在這種良好的關(guān)聯(lián)性質(zhì)，換句話說我們只要給定一粒子的測(cè)量結(jié)果，我們就能確切地預(yù)言第二個(gè)粒子動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果。這聽起來并不奇怪，而這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象也引發(fā)了量子糾纏及其特殊作用隱形傳送(teleporting)，稍後再做介紹。

在EPR論文中的粒子，我們可以做更多種類的測(cè)量，我們可以測(cè)其動(dòng)量也可以測(cè)其位置，如果他們的動(dòng)量是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的，那麼正如我們所期望那樣，可以證明粒子的位置也是僅僅相關(guān)的。於是代替動(dòng)量的測(cè)量，我們也可很好地測(cè)出它的位置。這對(duì)於EPR中的另一個(gè)粒子，我們可以不經(jīng)任何方式的相互作用，就可以確定地預(yù)言它的位置，這樣看來似乎沒有任何奇異之處。但是量子理論的一個(gè)重要理論是：對(duì)於單個(gè)粒子，不存在著在這個(gè)狀態(tài)中的粒子有著精確的動(dòng)量值同時(shí)又有著精確的位置。這一結(jié)論稱之為不確定性原理(uncertaintyprinciple)。關(guān)於這點(diǎn)又將如何回答呢？傳統(tǒng)量子力學(xué)的回答是使用了一種所謂條件態(tài)(conditionalstste)的概念。某個(gè)粒子的態(tài)完全地描述了粒子的制備和系統(tǒng)的各個(gè)細(xì)節(jié)，它使我們決定對(duì)這個(gè)系統(tǒng)實(shí)施測(cè)量所能得到的結(jié)果。這隱含著如果我們制備了一大批處於相同態(tài)的粒子，這個(gè)狀態(tài)有著精確的位置但我們不是去測(cè)量位置而是測(cè)量動(dòng)量，那麼我們就會(huì)得到一大串不同的數(shù)據(jù)相反地也是如此。但是從量子的思路來思考，他們認(rèn)為EPR方案的問題在於：如果我們選擇粒子的位置進(jìn)行測(cè)量，并得到一個(gè)結(jié)果，那麼它的另一個(gè)相關(guān)聯(lián)性的粒子的條件態(tài)必須做出相應(yīng)的改，以體現(xiàn)出我們已獲得的知識(shí)和我們事先了解到的粒子之間的關(guān)聯(lián)。但是如果我們選擇對(duì)第一個(gè)粒子的動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量，它的第二個(gè)粒子的條件態(tài)就會(huì)與位置的條件態(tài)不，也就是說：它現(xiàn)在處的是一個(gè)有確定動(dòng)量的態(tài)而不是有確定的位置。然而無論是玻爾還是愛因斯坦都沒洞悉他們所討論的糾纏態(tài)的全部涵義，經(jīng)過數(shù)十年的努力之後這些含義才逐漸被挖掘出來。

在這里量子糾纏描述了對(duì)兩個(gè)粒子實(shí)施局預(yù)測(cè)量(localmeasurement)其結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)并不能由通常的概率理論來解釋，然而對(duì)大糾纏態(tài)而言對(duì)其實(shí)施的局域測(cè)量其結(jié)果是完全隨機(jī)的。當(dāng)中定義糾纏的關(guān)鍵因素是實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)的兩種不同路徑的概率必須由兩個(gè)有著相同長度但可以有不同指向的概率幅所決定。

隱形傳送

1993年3月PhysicalReviewLitters發(fā)表了一篇引人關(guān)注的論文，其題目本身就使人難以置信：隱形傳送(teleporting)這個(gè)詞聽起來有點(diǎn)不尋常。然而這篇文章所揭示的正是這樣一個(gè)令人驚異的事實(shí)：通過局域的測(cè)量和古典通訊一個(gè)處於為費(fèi)曼規(guī)則所描述的態(tài)上的粒子，在某地經(jīng)受到一次測(cè)量，而在另一個(gè)地方的另一個(gè)粒子依照所收到的古典訊息，可以將自己變換成與原來粒子相同的態(tài)。同所有的量子方案一樣，這一方案也是利用了量子隨機(jī)性的奇異特性?，F(xiàn)在我們來介紹隱形魔術(shù)Bob和Alice分別工作在兩個(gè)離的非常遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室，他們彼此之間不實(shí)地發(fā)送量子粒子以取得連絡(luò)?，F(xiàn)在Bob制備了兩個(gè)處於量子糾纏態(tài)的粒子，它們具有兩種不同的磁化方向，上和下?，F(xiàn)在Bob又制備了一個(gè)粒子，稱它為控制位元，當(dāng)Bob要傳送一個(gè)未知態(tài)的粒子給Alice時(shí)，Bob可對(duì)這一未知態(tài)的粒子來做操作，未知態(tài)的粒子隨著操作的同時(shí)便會(huì)消失，然後Bob透過一個(gè)古典頻道來告訴Alice如何操作便會(huì)得到Bob所要傳給Alice的這一個(gè)未知態(tài)，當(dāng)Alice再依Bob所告訴她的操作過程反操作，這時(shí)便會(huì)得到Bob之前所要傳給她的這一個(gè)未知態(tài)的粒子。隱形傳態(tài)表明了當(dāng)我們希望發(fā)送量子位元訊息而不是一般的位元訊息時(shí)，糾纏粒子可用來作為一個(gè)非常有用的通訊源(communicationresource)。

三種主要實(shí)驗(yàn)方法簡介

1.光腔QED方法：光腔QED方法是最早提出的實(shí)現(xiàn)CNOT門的方法，它利用的是原子與光腔光子的相互作用。原子的高里德柏能級(jí)、光子偏振都可以作為量子位，量子位間的耦合通過原子與光腔作用或光子與光腔作用實(shí)現(xiàn)，這種方法的主要問題是很難實(shí)現(xiàn)量子們之間的連結(jié)，而且超導(dǎo)光腔需要極低溫，因此這并不是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的最佳方案。但是光腔QED方法在量子通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，量子遠(yuǎn)程傳輸實(shí)驗(yàn)的成功使量子通信達(dá)到了接近實(shí)用的地步，最近又實(shí)現(xiàn)了原子的EPR對(duì)使量子通信得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

2.離子阱方法：離子阱方法用束縛在冷阱中離子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)作為量子位，用兩束頻率相差很小的激光誘導(dǎo)拉曼躍遷來控制量子位的狀態(tài)，調(diào)節(jié)激光的作用時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單量子位態(tài)的任意旋轉(zhuǎn)操作，離子通過相互間的庫倫力耦合而成集體震動(dòng)，不同的振動(dòng)模式用不同的聲子態(tài)來表示，激光作用時(shí)與離子水平振動(dòng)方向有個(gè)夾角，這樣激光的作用能同時(shí)影響離子內(nèi)部的能級(jí)和外部的集體振動(dòng)，從而使兩者耦合起來，通過離子的水平集體聲子振動(dòng)，量子位之間實(shí)現(xiàn)了糾纏，離子阱方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接實(shí)現(xiàn)"多控制位非"門(contronl-not)操作而不必用單量子位門和CNOT門去組合。但是由於多個(gè)離子規(guī)則排列和多位激光尋址等技術(shù)上的困難，很難實(shí)現(xiàn)很多量子位，實(shí)驗(yàn)上做得到的是利用一個(gè)離子的內(nèi)部能級(jí)和外部振動(dòng)態(tài)作為兩個(gè)量子為實(shí)現(xiàn)CNOT門。

3.塊體核磁共振方法(Bulk-NMR)：塊體核磁共振方法是利用核自旋在磁場(chǎng)中的塞曼分裂作為量子位，對(duì)量子位的操縱由射頻場(chǎng)完成，利用不同的核磁共振頻率，可以對(duì)不同的量子位進(jìn)行操作，與前面兩種方法相比Bulk-NMR方法不是基於單原子(光子,離子)的，在這種方法中量子位是分子中原子的核自旋，不同原子的核自旋代表不同的量子位，而量子位的態(tài)是由大量同種分子的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)來表現(xiàn)，某一個(gè)量子位的態(tài)由相應(yīng)原子的核自旋相互作用，這正好可以使量子位間產(chǎn)生耦合，得以實(shí)現(xiàn)CNOT門。Bulk-NMR方法的優(yōu)點(diǎn)是利用了大量分子的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，因此受外界干擾小，退相干時(shí)間長而且實(shí)驗(yàn)可以在室溫下進(jìn)行，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了最簡單的Deutsch算法[18]及Grover快速查找算法，它的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)較多量子位，隨著量子位的增多，分子的選擇、量子位的尋址、訊號(hào)的讀出都將發(fā)生困難，從目前的發(fā)展來看還做不到6個(gè)以上的量子位。

三種主要實(shí)驗(yàn)方法比較

介紹的三種實(shí)驗(yàn)方法各具特點(diǎn)(見表一)但共同的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)大量量子位，因此它們只能用來進(jìn)行一些元理性的研究，而不能作為建造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。三種實(shí)驗(yàn)方法的比較：

1.光腔QED方法：優(yōu)點(diǎn)為理論較為成熟、在量子通信領(lǐng)域有較大的發(fā)展；缺點(diǎn)是量子門之間不易連接、需要低溫條件實(shí)驗(yàn)上做不到很多量子位。

2.離子阱方法：優(yōu)點(diǎn)為可以直接實(shí)現(xiàn)contro-not門；缺點(diǎn)是易受干擾、需要低溫條件;多量子位有困難。

3.核磁共振方法：優(yōu)點(diǎn)為受干擾小實(shí)驗(yàn)可在室溫下進(jìn)行；對(duì)於多量子位存在理論上的困難。[/color][/b]

綜合以上的研究，人類在20世紀(jì)雖然能夠精確地操控航空飛機(jī)和搬動(dòng)單個(gè)原子，但現(xiàn)在卻仍未能掌控操控量子態(tài)的有效方法。在21世紀(jì)人類正積極致力於量子技術(shù)的開發(fā)，推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)更迅速地發(fā)展，相信未來的某一天中能實(shí)現(xiàn)我們期待著。

名詞解釋

01.貝爾(Bell)態(tài)：兩個(gè)物理系統(tǒng)所處的四種方式對(duì)應(yīng)的四種不同的具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性質(zhì)的量子態(tài)，古典上要想做到這一點(diǎn)，只存在兩種形式或者兩個(gè)系統(tǒng)處於相同的狀態(tài)或者處於不同的狀態(tài)。然而由於量子態(tài)對(duì)應(yīng)的概率幅可正可負(fù)，使得可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的數(shù)目增加了一倍。

02.貝葉斯規(guī)則：一個(gè)以兩種不可區(qū)分的途徑發(fā)生的事件，欲求其發(fā)生的概率可以先分別考慮每一條途徑的概率再將其求和。

03.位元：二進(jìn)制碼的一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位。

04.不確定性原理：由於不可消除的隨機(jī)性進(jìn)入量子物理而導(dǎo)致的一個(gè)基本結(jié)果。不確定性原理暗示著不可能將系統(tǒng)制備到一個(gè)使得所有可能的測(cè)量結(jié)果都確定的狀態(tài)上。

05.CN門：受控非(Controlled-NOT)門、也叫異或門，作用於兩個(gè)二進(jìn)制位(位元)。一個(gè)位元作為控制位元，另一個(gè)作為目標(biāo)位元?？刂莆辉獜牟话l(fā)生變化，但若控制位元為1，則目標(biāo)位元反轉(zhuǎn)(0→1,或1→0)。

06.超級(jí)電腦：1996年12月16號(hào)英特爾(Intel)公司與美國能源部(DOE)聯(lián)合，宣布他們新近建成一臺(tái)「超級(jí)電腦」。這是第一臺(tái)達(dá)到每秒一兆次運(yùn)算的電腦。

07.疊加：如果一個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)物理態(tài)可以以多種不同的并且是未知的途徑實(shí)現(xiàn)，則此物理系統(tǒng)實(shí)際的態(tài)就是這些不同途徑的疊加。對(duì)於實(shí)現(xiàn)這個(gè)物理態(tài)的每一條途徑都對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的概率幅。疊加原理是量子理論的一個(gè)基本特徵也是費(fèi)曼規(guī)則的另一種表述形式。

08.二進(jìn)制碼：一種表示訊息的編碼系統(tǒng)，在形式上只用0和1兩種符號(hào)。

09.EPR佯謬：是指A.愛因斯坦、N.羅孫和B.波多爾斯基在1935年發(fā)表的一篇論文。論文的本意是想利用糾纏態(tài)來揭示：如果賦予物理態(tài)以古典解釋的話，量子力學(xué)是不完備的。這是第一篇揭示量子糾纏奇妙性質(zhì)的論文。

10.費(fèi)曼規(guī)則：對(duì)於一個(gè)可以經(jīng)由兩條或更多條不可分辨的途徑發(fā)生的事件，其概率幅等於各條途徑的概率幅之和.在量子力學(xué)中費(fèi)曼規(guī)則取代了古典概率論中的貝葉斯規(guī)則。

11.分束器：一種將入射光束分成等強(qiáng)度的反射光束和透射光束的光學(xué)裝置，并且在分束過程中光的總強(qiáng)度不衰減。

12.概率幅：量子物理預(yù)示著宇宙帶有不可消除的隨機(jī)性。這一理論使我們得以計(jì)算一個(gè)給定觀察的概率。然而這些概率在最基本的層次上為概率幅所決定且概率幅不必要是正定的。實(shí)際概率可通過對(duì)概率幅平方而得到，它必然是一個(gè)非負(fù)數(shù)。

13.自旋：自旋是一個(gè)與物理系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性相對(duì)應(yīng)的物理量。它不能為古典牛頓物理學(xué)所預(yù)言，只是量子世界的一個(gè)新特性。在某種情況下，自旋只能取兩個(gè)分立的值。

14.偏振：在古典物理學(xué)中，光是一種電場(chǎng)和磁場(chǎng)的自激波。在真空中電力垂直於光束的傳播方向。電力所指的方向稱為(光)波的偏振。

15.平面偏振：如果一束光的電力方向始終平行於一個(gè)固定軸，且垂直於傳播方向則這束光處於平面偏振。

16.因子分解：尋找大整數(shù)的質(zhì)數(shù)因子。如果這個(gè)數(shù)有許多位這將是一個(gè)非常難以求解的問題。但是檢驗(yàn)因子分解是否正確要比尋找質(zhì)數(shù)因子容易的多。這種單向性質(zhì)使得因子分解成為密碼學(xué)的一個(gè)重要工具。

17.光子：愛因斯坦通過假定光是以分立的全同波包(即光子)的形式傳遞能量，從而解釋了光電效應(yīng)。光的頻率決定了每個(gè)光子的能量。光強(qiáng)決定了光束中光子的數(shù)目。

18.糾纏位元(ebit)：一個(gè)糾纏位元就是對(duì)一個(gè)兩系統(tǒng)的量子糾纏態(tài)的一部分做測(cè)量，由測(cè)量結(jié)果(是,否)所獲得的二進(jìn)制數(shù)。

19.量子位元：一次測(cè)量如果等可能地產(chǎn)生兩種相飭的結(jié)果，就需要一個(gè)位元的訊息來存儲(chǔ)這個(gè)結(jié)果。然而在一個(gè)量子態(tài)中，兩種互斥結(jié)果可以用兩個(gè)概率幅來編碼。在這種情況下這個(gè)量子態(tài)就編碼成了一個(gè)量子位元，而它在實(shí)驗(yàn)上并不同於一簡單的硬幣投擲。

20.量子糾纏：如果一個(gè)物理系統(tǒng)由若干個(gè)相同的子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)，并且這些關(guān)聯(lián)通過兩種或更多種途徑實(shí)現(xiàn)，則這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)處於一種由不同途徑關(guān)聯(lián)在一起的疊加態(tài)，這個(gè)態(tài)被稱為是糾纏的。糾纏是量子物理的關(guān)鍵特徵，這使得量子計(jì)算比古典計(jì)算強(qiáng)大的多。糾纏所導(dǎo)致的物理影響仍然沒有完全弄清楚。

21.量子理論：量子理論指出物理世界是不可約地隨機(jī)的。即是說對(duì)於一個(gè)物理態(tài)無論我們對(duì)其了解的如何詳盡，都無法使得對(duì)這個(gè)態(tài)的所有可能的測(cè)量都具有確定的結(jié)果。并且測(cè)量結(jié)果的怪異性質(zhì)不能由通常的概率規(guī)則給出，必須基於概率幅的概率計(jì)算。2007/9/14被g950g950最后編輯|查看全部g950g950(組長)2007/9/113樓舉報(bào)用脈沖光加速量子電腦

量子電腦現(xiàn)在又離我們更進(jìn)一步羅！密西根大學(xué)的研究員們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的方法來操作量子位：藉由現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的光通訊技術(shù)，他們可以使用脈沖光來控制量子位，并藉此加速量子電腦的運(yùn)作速度。剩下的像幾秒鐘就可以破解一般電腦算到死的密碼啦、同時(shí)多重運(yùn)算啦的優(yōu)點(diǎn)我們就省略了。加油吧！科學(xué)家們，前進(jìn)吧！黑客們！密西根大學(xué)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種在密碼術(shù)方面輕的突破性的利用的方法。這種新技術(shù)能在微微秒破解復(fù)雜的代碼問題?？茖W(xué)家相信如果利用這種技術(shù)在當(dāng)今的解決辦法上、提供很多改進(jìn)會(huì)造成國家和個(gè)人安全威脅。過程與相干光的極其短的脈搏有關(guān)、被發(fā)出并且與東西相互作用的"量子小圓點(diǎn)"。量子小圓點(diǎn)是神秘的"科學(xué)絨毛"對(duì)大多數(shù)人來說他們是很難理解的：基本上他們是對(duì)零敏感且非常小的結(jié)構(gòu)。在調(diào)整頻率和移相光在一個(gè)更多的復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)時(shí)，梁本身形成一種"光網(wǎng)絡(luò)"有計(jì)算能力、它經(jīng)過量子小圓點(diǎn)。

當(dāng)最后的創(chuàng)立學(xué)說的設(shè)備被建造，潛在需要數(shù)千個(gè)量子小圓點(diǎn)(精確的數(shù)目現(xiàn)在是科學(xué)辯論的問題)時(shí),輕的梁本身將被相當(dāng)于一個(gè)疑問譯成代碼。這有點(diǎn)象是factorization號(hào)碼或者數(shù)列對(duì)"查找"。那時(shí)"送"對(duì)全部可能的答案到被計(jì)算的量子小圓點(diǎn)。答案然后立即"讀"在遠(yuǎn)的邊上。通過編碼順序在以這種方法的排序之后，甚至極其復(fù)雜的問題，今天使用古典超級(jí)電腦可能要花費(fèi)許多年才能解決的答案，可以被在幾微微秒鐘內(nèi)計(jì)算完畢。

這種特別的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是他是用非常廉價(jià)的二極管激光用來作光源。可持續(xù)超頻的熱量比率大約是：一個(gè)1000GHz處理器所產(chǎn)生的熱量相當(dāng)於在1.4GHz處理器下操作的頻率所產(chǎn)生的熱量。使用這項(xiàng)技術(shù)的將來的設(shè)備可能由于極其低的熱能生產(chǎn)被用來作為3維陣列來建立。只有一個(gè)單個(gè)的光子被要求做光門(qubit)接通。用來接通光門(qubit)的能量是10-18焦耳。換句話說：在1GHz操作只需要一瓦特的1billionth。在這個(gè)地區(qū)的研究的一條競(jìng)爭(zhēng)的線接近來自被困住的離子(朱蕉)在大的真空里操作，相信雖然它的計(jì)算能力是比用這種方法低的幾項(xiàng)重要的命令，但是離子(朱蕉)將對(duì)于最初成功證明是更可能。是這個(gè)解決辦法的結(jié)果的最后的產(chǎn)品有作為核心的技術(shù)的等價(jià)物2種雙或者Opterons的能力作為，與ENIAC相比他們有更多的資金在這間實(shí)驗(yàn)室里工作。

研究人員目前正著手做這項(xiàng)技術(shù)的將來的用途。這些包括"穿的量小圓點(diǎn)說明激光，光學(xué)調(diào)制器和量邏輯設(shè)備"將作為可行的將來的量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。國家安全代理(NSA)提供資金給這項(xiàng)工程、軍隊(duì)研究室，科學(xué)研究的空軍辦公室和海軍研究實(shí)驗(yàn)室。適合這那些研究工程被因?yàn)猷嚳箱摵?位高級(jí)研究人員以及十位大學(xué)生來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)查研究工作被展開并且分布在不同的場(chǎng)所。圣地亞哥大學(xué)處理理論。海軍研究實(shí)驗(yàn)室處理量子小圓點(diǎn)物理學(xué)。并且密西根大學(xué)著手做計(jì)算部分。大家的共同努力將繼續(xù)在實(shí)際應(yīng)用里使用的量子小圓點(diǎn)的數(shù)量直到被發(fā)現(xiàn)成功為止，美國在這項(xiàng)工程提供資金方面大約每年花費(fèi)800，000美金。2007/9/14被g950g950最后編輯|查看全部g950g950(組長)2007/9/114樓舉報(bào)光算機(jī)（opticalcomputer）

利用光線而不用電流的計(jì)算器可以每秒處理一兆次運(yùn)算，關(guān)鍵部分──模擬電晶體的光學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。過去四十年來，數(shù)位計(jì)算器的發(fā)展是如此緊密地與電子技術(shù)關(guān)連在一起，以致于人們認(rèn)為計(jì)算器必然是電子元件組合而成。事實(shí)上，計(jì)算器用來執(zhí)行任務(wù)的算術(shù)及邏輯運(yùn)算也可用許多其他的方法來達(dá)成。自1970年代中期，以鐳射光束來代替電流傳遞信號(hào)的可能性日趨厚厚。能夠比電子計(jì)算器快一千倍是開發(fā)這種光算機(jī)強(qiáng)而有力的誘因。能夠傳遞兩種不同狀態(tài)的開閉元件（switch）是任何數(shù)位計(jì)算器的基本元件。計(jì)算器運(yùn)算的速度受限制于開閉元件改變狀態(tài)所需的時(shí)間。事實(shí)上電子計(jì)算器所有的開閉元件都是電晶體，而現(xiàn)在所用的電晶體最快的也無法在快于10-9秒內(nèi)改變狀態(tài)。而一個(gè)模擬電晶體功用的光學(xué)設(shè)計(jì)卻能在10-12秒內(nèi)改變狀態(tài)。我們?cè)l(fā)展出實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的「光晶體」（optiualtransistor），那是用入射鐳射光束的微小改變來決定元件的開或閉。這「光學(xué)電晶體」我們稱之為「轉(zhuǎn)相器」（transphasor），是利用某些晶體的特殊性質(zhì)：當(dāng)光強(qiáng)度增加時(shí)折射率會(huì)改變。藉著正確地選擇晶體及鐳射波長，利用折射率的改變，透射光強(qiáng)度會(huì)因入射光的微小改變而有巨大改變的元件可以被制造出來。實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)曾達(dá)到狀態(tài)交換的時(shí)間為幾個(gè)10-12秒。光晶體固然可以用來建造原理與目前電子計(jì)算器相同但較快速的計(jì)算器，而在較遠(yuǎn)的將來它可能會(huì)改變計(jì)算器本身的結(jié)構(gòu)。每一個(gè)單獨(dú)的光晶體能夠同時(shí)做許多個(gè)開閉工作，而電子元件一次只能處理一個(gè)信號(hào)。更有甚者，隨著入射光束的逐漸增加，這種晶體的輸出可以被轉(zhuǎn)換至更多高階的狀態(tài)。相較之下，用在電子計(jì)算器的電晶體只有兩種輸出狀態(tài)。這種超過兩個(gè)輸出狀態(tài)之設(shè)計(jì)的采用，將會(huì)導(dǎo)至一個(gè)新的計(jì)算器邏輯系統(tǒng)的產(chǎn)生。除了光晶體外，建造光算機(jī)還需要許多線路元件。在Heriot-Watt大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)栽囼?yàn)的形式證明許多需要的元件可制成光學(xué)積體線路。這樣的積體電線路在被商業(yè)化制造之前，尚需克服若干技術(shù)上的困難?？梢灶A(yù)見，在很短的時(shí)間內(nèi)，光算機(jī)將成為很具吸引力的發(fā)展園地。

開閉元件的作用

在一般的應(yīng)用上，計(jì)算器的三種基本功能是算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及資料的存貯。這些全都是由含有兩個(gè)穩(wěn)定輸出狀態(tài)的元件所達(dá)成。在算術(shù)運(yùn)算中，這兩個(gè)狀態(tài)代表二進(jìn)位系統(tǒng)的「0」和「1」。在判斷邏輯的命題時(shí)，各代表「真」與「?jìng)巍埂Ｋ阈g(shù)與邏輯運(yùn)算的結(jié)果是存貯在特定的記憶元件中（記憶元件的狀態(tài)保留原結(jié)果的狀態(tài)）。用二進(jìn)位系統(tǒng)，一計(jì)算器用來判斷命題真?zhèn)?，只用三個(gè)「邏輯函數(shù)」。它們經(jīng)常被稱為「及」函數(shù)（AND）、「或」函數(shù)（OR）和「反」函數(shù)（NOT）。在「及」函數(shù)，一個(gè)敘述所有的部分為真時(shí)，敘述方為真。在「或」函數(shù)，只要敘述中任何一個(gè)部分為真，敘述便為真。在「反」函數(shù)中，一個(gè)敘述的「真假值」被掉換。更復(fù)雜的運(yùn)算例如加減法運(yùn)算，都能用這三個(gè)基本函數(shù)建構(gòu)起來。一個(gè)計(jì)算器必須具備能以物理形式來代表0與1或真與偽的元件，且這些元件要能夠組成執(zhí)行三個(gè)「邏輯函數(shù)」的較大零件。這些元件顯然要有兩個(gè)能夠容易分辨的輸出（兩個(gè)狀態(tài)）。如果計(jì)算器要快，則狀態(tài)交換的時(shí)間要短。再考慮其他因素，一個(gè)最好的開閉元件應(yīng)是體積最小、最易于制造、且消耗最小功率。第一個(gè)實(shí)用的電子開閉元件是真空管，慢而且大，產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒崃?，影響使用壽命。所以用真空管做成的?jì)算器，體積大而計(jì)算能力小。1947年發(fā)明的電晶體，提供了較小、較快、較有效率的開閉元件。它最簡單的形式是三層半導(dǎo)體。最外面兩層分別叫射極、集極，中層叫基極。當(dāng)自基極流入集極的電流有微小改變時(shí)，導(dǎo)致射極流入集極電流大的改變。集極的大電流可用以代表1而小電流代表0。與其他電子元件配合，能組成執(zhí)行「及」、「或」及「反」函數(shù)的結(jié)構(gòu)，稱為邏輯閘。如果所有的輸入都是大電流，「及閘」才輸出大電流。只要有一輸入是大電流，「或閘」便輸出大電流。輸入大電流，「反閘」輸出小電流；輸入小電流，「反閘」輸出大電流。

電晶體的極限

半導(dǎo)體「邏輯閘」操作所需時(shí)間自10-9～10-6秒，視其大小、材料、設(shè)計(jì)、狀態(tài)交換功率而定。理論上最快能在每一秒內(nèi)做十億次運(yùn)算。實(shí)際上的速度則遠(yuǎn)比這要慢許多。以物理學(xué)做基本分析，目前所能達(dá)到的最短交換時(shí)間，已接近半導(dǎo)體所能達(dá)到的極限了。要完成交換作用，電流必須穿越基極。電流通過半導(dǎo)體的速度有著許多限制。減小基極的寬度可以減少交換的時(shí)間，但基極能做到多薄是有限的。目前這極限已經(jīng)達(dá)到了，因此交換時(shí)間顯著的降低，將不會(huì)來自電晶體設(shè)計(jì)上的微小改變，而將來自新的交換技術(shù)。一個(gè)改變的可能性是以其他的媒體取代電流來攜帶信號(hào)。任何信號(hào)所能達(dá)到的最高速度是光速，故光或電磁波是最合適的候選者。我們已利用聚集的鐳射光束來操作具有許多電晶體功能的開閉元件。這個(gè)設(shè)計(jì)可在兩個(gè)明顯的輸出狀態(tài)間交換。它們可以做成記憶元件，藉著適當(dāng)?shù)倪x擇材料及鐳射光束，可以組成快速、簡單的「邏輯閘」。

干涉計(jì)

光晶體的起點(diǎn)是精巧而廣泛應(yīng)用的法布立-拍若干涉計(jì)（interferometer）──由法國物理學(xué)家法布立（C.Fabry）及拍若（A.Perot）于1896年所發(fā)明。最簡單的干涉計(jì)是由兩面鏡子，隔一距離平行排列，再將能使某特定波長的光能透射的材料置于兩鏡間的空隙而成。［此一空隙被稱為「洞」（cavity）］。每一面鏡都可使部分光線反射，部分光線透射。現(xiàn)在暫且不管「洞」的材料，而考慮一束光撞擊到干涉計(jì)第一面鏡時(shí)的情形。我們假設(shè)此鏡反射90％的入射光，而讓10％的入射光通過。（這樣的比例相當(dāng)接近于我們所真正使用的。）現(xiàn)在透射過的部分以原來1/10的強(qiáng)度進(jìn)入干涉計(jì)內(nèi)部，稱為「前進(jìn)光束」，進(jìn)行至后一面鏡子。后鏡與前鏡的性質(zhì)是一樣的。在后鏡90％的「前進(jìn)光束」被反射回「洞」中，成為「反轉(zhuǎn)光束」，有10％透射到干涉器外（見圖一）。

由于「前進(jìn)光束」是原入射光束的1/10，故透射到后鏡外的光強(qiáng)度是原入射光束的1/100。這「反轉(zhuǎn)光束」又回到前鏡，再被分成反射及透射光束，余留在洞中的光一直不斷的反射、透射著，越來越微弱，直到所有的光都逸出「洞」外為止［見圖二(a)］。

洞中的干涉

如果上面所提的就是所有有關(guān)干涉計(jì)的事實(shí)，則干涉計(jì)對(duì)光學(xué)計(jì)算器并無所助益，它的透射強(qiáng)度只能由改變鏡片的性質(zhì)來改變。但事實(shí)上，「前進(jìn)光束」及「反轉(zhuǎn)光束」并不能像(圖二a)所畫的一般，彼此能清楚的分開。在真正的干涉計(jì)中，它們彼此互相作用，影響「洞」中的光強(qiáng)度，也影響透射率。如果入射光垂直進(jìn)入前鏡，則光將不會(huì)折曲，所有的光將在同一路徑上?！付础怪杏性S多被前、后鏡反射回「洞」的光束，現(xiàn)在我們只考慮其中兩條：「前進(jìn)光束」及「反轉(zhuǎn)光束」的交互作用。干涉的結(jié)果由彼此的相位差來決定。波峰對(duì)波峰、波谷對(duì)波谷的重疊是建設(shè)性干涉，波峰對(duì)波谷的重疊是破壞性干涉，自然在那兩極端之間的相位差也是可能的。合成光波在洞中任一點(diǎn)的振幅是所有成分光波在該點(diǎn)振幅的總和。干涉對(duì)透射的影響是林林總總而非單純的。如果是完全破壞性干涉，洞中的光強(qiáng)度將為零(見圖二b)。如果是完全建設(shè)性干涉，則洞中光強(qiáng)度將十倍于入射光。既然后鏡透射1/10的光，在「完全建設(shè)性干涉」中透射光強(qiáng)度將等于入射光強(qiáng)度(見圖二c)。

折射率的效應(yīng)

相位差及透射率可由調(diào)整波長及「洞」的長度來改變，但兩種方法對(duì)「光學(xué)電晶體」均無甚價(jià)值。最重要的是，相位差也可用改變「洞」中材料的光學(xué)性質(zhì)來改變，這是到目前為止我們一直沒提到的。折射現(xiàn)象是大家所熟悉的。折射起因于光在不同介質(zhì)中有不同速率，折射率就是光在真空中速率對(duì)光在介質(zhì)中速率的比值。在介質(zhì)中，隨著波長變短而速度變慢，頻率并不改變。藉著材料折射率的改變，而改變波長，我們可改變洞中光束的相位差。適當(dāng)選擇材料折射率，「洞」中光束可以形成建設(shè)性或破壞性干涉。在分析光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，有一重要的量稱為「光學(xué)路徑長度」（opticalpathlength）或簡稱「光學(xué)長度」（opticallength）。在干涉計(jì)的「洞」中，它的「光學(xué)長度」是實(shí)際長度乘上材料的析射率。當(dāng)「洞」的光學(xué)長度等于入射光半波長的整數(shù)倍時(shí)，將會(huì)有完全建設(shè)性干涉。當(dāng)然有許多可能的「光學(xué)長度」可以產(chǎn)生完全建設(shè)性干涉。當(dāng)光學(xué)長度為兩個(gè)連續(xù)半波長的整數(shù)倍的中間值時(shí)，會(huì)有完全破壞性干涉，于是透射強(qiáng)度隨著「光學(xué)長度」而改變。透射率與「光學(xué)長度」的關(guān)系可由一個(gè)稱為Airyfunction的函數(shù)來描述（見圖三）

這在「光學(xué)電晶體」建造中相當(dāng)重要。在我們建造的法布立-拍若儀器中，在每一個(gè)對(duì)應(yīng)于整數(shù)倍半波長的點(diǎn)都含有一個(gè)陡直的高峰。在兩高峰間的函數(shù)值相當(dāng)?shù)停易兓浅＞徛?。因此，直到「光學(xué)長度」達(dá)某一臨界值時(shí)，透射強(qiáng)度才急遽地增加。我們可以改變「洞」中材料來改變透射率，當(dāng)然這對(duì)光學(xué)開閉元件的狀態(tài)交換來講是個(gè)笨拙的方法。然而在十九世紀(jì)，這被認(rèn)為是改變折射率的唯一方法。馬克士威在關(guān)于電磁輻射的著作中，假定折射現(xiàn)象及其他光與物質(zhì)的交互作用不受輻射強(qiáng)度的影響。如果這是真的話，則干涉計(jì)的輸出會(huì)與入射強(qiáng)度成正比。在一般的情形下，物質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)這樣的性質(zhì)，稱為「線性折射」。

非線性折射

當(dāng)鐳射發(fā)展出來之后，發(fā)現(xiàn)并非所有的物質(zhì)都是「線性折射」。在「洞」中使用非線性折射的物質(zhì)，折射率可隨著入射光強(qiáng)度而改變。這現(xiàn)象值得進(jìn)一步思考。想像有一個(gè)固定長度的「洞」，裝以非線性折射材料，以一束可以調(diào)整強(qiáng)度的鐳射光照射。起初鐳射光強(qiáng)度所造成的折射率在Airy函數(shù)兩個(gè)高峰中間，這時(shí)透射率非常低。鐳射光強(qiáng)度漸漸增加則折射率及「光學(xué)長度」?jié)u漸改變，透射率也慢慢增加（見圖四）。

到某一點(diǎn)，折射率和光強(qiáng)度在「洞」形成正反饋，也就是他們互相增強(qiáng)。變化中的折射率使自開始時(shí)的完全破壞性干涉（在兩高峰中間）漸漸移向建設(shè)性干涉?！付础怪性鰪?qiáng)的光束加上自外面進(jìn)來同時(shí)也在增強(qiáng)中的光束，加速改變折射率，加速改變的折射率更加速「洞」中的光趨向建設(shè)性干涉，加強(qiáng)的光強(qiáng)度又更怏地改變折射率，如此循環(huán)不已。在入射光強(qiáng)度達(dá)某一臨界值時(shí)，「洞」中的反饋?zhàn)饔瞄_始顯著，而Airy函數(shù)圖上的高峰很快的就到達(dá)，透射率很快地變到最高，即入射強(qiáng)度與透射強(qiáng)度比是1。當(dāng)入射光強(qiáng)度自高峰稍微地降低時(shí)，透射強(qiáng)度并沒有循原來的路徑快速地降低，理由是留在「洞」中的光強(qiáng)度又折射率還足夠維持適當(dāng)?shù)摹腹鈱W(xué)長度」以保持最大透射率。當(dāng)入射光強(qiáng)度再降低，透射率只是稍微的減小；然而到達(dá)某一強(qiáng)度之下時(shí)，光強(qiáng)度及折射率開始顯著地相互消減。入射光強(qiáng)度再一點(diǎn)點(diǎn)微小的減少，就足以使透射急遽地減少。這樣的一個(gè)循環(huán)圖形叫「遲滯曲線」（hysteresiscycle）。一個(gè)呈現(xiàn)遲滯曲線的光學(xué)元件稱為「光學(xué)雙穩(wěn)元件」（opticalbistabledevices）。這是因?yàn)樗袃蓚€(gè)在入射光強(qiáng)度改變時(shí)透射光強(qiáng)度改變非常小的區(qū)域。應(yīng)該注意的是，在雙穩(wěn)元件中，入射光強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同透射率，真正的透射率決定于該「洞」以前的經(jīng)歷。

光學(xué)雙穩(wěn)元件

光學(xué)雙穩(wěn)性質(zhì)是由索克（A.Szoke）及他的同事于1969年于麻省理工學(xué)院所預(yù)測(cè)，而由貝爾實(shí)驗(yàn)室的吉布士（H.M.Gibbs）等人于1976年首先觀察到。從那時(shí)候起，光學(xué)雙穩(wěn)元件成為許多實(shí)驗(yàn)室工作的主題。在制造光學(xué)雙穩(wěn)元件中，選擇具有非線性折射的材料是非常重要的。在我們的工作中，曾用具有高度非線性反應(yīng)的化合物半導(dǎo)體銻化銦。像大部分的半導(dǎo)體一樣，銻化銦對(duì)可見光是不透明的，但對(duì)某些波長的紅外線是「透明」的。我們用的鐳射光源是一氧化碳鐳射，波長位于紅外線的窄小范圍里面，它的波長可以調(diào)整。我們是用一小塊長方體銻化銦晶體做為干涉計(jì)。晶體的每一邊都只有幾毫米長，也曾經(jīng)從比這小得多的晶體做出干涉計(jì)。在某些情形下，晶體的前后均覆上一層反射物質(zhì)做為鏡子，但覆蓋反射物質(zhì)并非必要，因晶體光滑的面就能做為鏡子。

非線性折射的解釋

在原子尺度中有許多技巧可用以改變半導(dǎo)體的折射率。銻化銦的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且在研究之中。以下是一些已經(jīng)知道的梗概。電磁輻射與固體的交互作用是藉著電子為媒介。在可見光及紅外線范圍，參與的主要是最外層電子。一個(gè)孤立的原子，它的電子能階是清楚而確定的。但在固體中，由于原子的堆積，會(huì)形成較寬的「容許能帶」，「容許能帶」與「容許能帶」間由「禁止能帶」隔開，電子是不能具有禁止能帶能量的。每一「容許能帶」是由許多的能階組成。如果每個(gè)「容許能帶J里的每個(gè)能階都被填滿，則在那能帶里面的每一個(gè)電子都會(huì)被限制于原子附近。要使電子移動(dòng)，需要額外的能量，但在能帶中沒有空的能階，帶有額外能量的電子也無法移動(dòng)。如果一個(gè)能帶只有部分填滿，則一個(gè)得到額外能量的電子就能移動(dòng)到能帶中稍高的能階。金屬有部分填滿的能帶。絕緣體的能帶中，有電子填充而且能量最高的能帶──價(jià)帶（valenceband），是完全被填滿的。它被一寬大的能隙（energygap）把另一更高的能帶──導(dǎo)帶（conductionband）與價(jià)帶隔開。在絕緣體中，一個(gè)電子只有吸收足夠的能量以越過寬大的能隙進(jìn)入導(dǎo)帶才有可能自由地移動(dòng)。然而，這是一件不太可能的事情。半導(dǎo)體與絕緣體一樣，有一個(gè)全滿的價(jià)帶及全空的導(dǎo)帶，但兩帶的能隙卻少得多。有許多的方法可使半導(dǎo)體獲得小額能量，自價(jià)帶的較高能階進(jìn)入導(dǎo)帶的較低能階。當(dāng)電子自價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，在價(jià)帶會(huì)留下一個(gè)電洞，它類似于電子，但為帶有相等于正電荷的實(shí)體。如果提高的電子再回到價(jià)帶，與電洞重合，則電洞會(huì)消失見(圖五a、b)。電子越過能隙所需的能量隨溫度而變。我們所用的銻化銦是在77K工作。在這溫度下，其能隙大約是0.2電子伏特。大部分的其他半導(dǎo)體的能隙都比這大了很多。折射率的非線性是與能隙的平方值成反比。由于它狹窄的能隙，銻化銦的非線性要比砷化鎵高出100～1,000倍。砷化鎵是另外一種曾被用來做光學(xué)雙穩(wěn)元件的半導(dǎo)體。雖然狹窄的能隙是必要的，但如過分狹窄則會(huì)使光學(xué)開閉元件變得不切實(shí)際。電子獲取所需能量以便提高進(jìn)入導(dǎo)帶的方法之一是吸收入射的電磁輻射（光）。只要光子攜帶正確的能量，電子就能進(jìn)入導(dǎo)帶。等于0.2電子伏特的波長是5微米（10-6m），在我們所用的一氧化碳鐳射的范圍(見圖五b)。一旦電子進(jìn)入導(dǎo)帶的較低能階，晶格中的熱能就會(huì)把它們散射至附近的能階，其結(jié)果是電子在導(dǎo)帶附近呈不規(guī)則的分布(見圖五c)。導(dǎo)致銻化銦折射率改變的原因正是電子提高及隨之而來的散射。在量子力學(xué)中光之折射及被吸收有密切的關(guān)系。一束光被吸收，那么它就會(huì)被折射，反之亦然。阻止吸收的發(fā)生，同時(shí)也阻止了折射的發(fā)生，于是改變了折射率。但，如何阻止光的被吸收呢？提高至導(dǎo)帶較低能階的電子數(shù)目是有限制的，當(dāng)這個(gè)限制一旦到達(dá)，恰好帶有提高所需能量的光子就不再被吸收。吸收作用的飽和阻止了光折射的發(fā)生，而折射率也就改變了。當(dāng)鐳射光關(guān)掉，原來被提高的電子很快的降回到價(jià)帶而與電洞結(jié)合。光吸收作用又開始變得可能，且折射率也回到它原來的值［見圖五(d)］。

光學(xué)邏輯閘

上面所描述的遲滯曲線非常明顯地可應(yīng)用來做記憶元件。干涉計(jì)穩(wěn)定的高透射狀態(tài)可代表一個(gè)邏輯或算術(shù)的值，穩(wěn)定的低透射狀態(tài)代表另一個(gè)值。任一狀態(tài)都可由一適當(dāng)強(qiáng)度的光束無限期地維持著。對(duì)一個(gè)用來處理信號(hào)而非記憶信號(hào)的光學(xué)開閉元件，遲滯現(xiàn)象的那部分是不需要的。藉著改變干涉計(jì)的長度、入射光波長、「洞」中的材料，遲滯環(huán)可以變狹或消失（見圖六）。

其結(jié)果是一個(gè)算值的透射曲線，每一個(gè)入射強(qiáng)度，都只對(duì)應(yīng)一個(gè)透射強(qiáng)度。這個(gè)單值透射曲線是可調(diào)整的，一個(gè)最有用的形狀是：在入射強(qiáng)度低時(shí)，透射強(qiáng)度低，然后在一臨界點(diǎn)，透射強(qiáng)度陡升，達(dá)到一高透射強(qiáng)度，然后入射強(qiáng)度續(xù)繼增加時(shí)，保持不變。這種曲線形狀像是描述電晶體集極電流的曲線。事實(shí)上這曲線是光學(xué)電晶體的基礎(chǔ)，我們稱這種元件為轉(zhuǎn)相器，因?yàn)樗牟僮魇腔诳刂乒饩€的相位。在轉(zhuǎn)相器中兩束準(zhǔn)確控制的光線集中在非線性折射的晶體前面的同一點(diǎn)，常束（constantbeam）是較大而不變的光束，而變束（probebeam）的強(qiáng)度要小得多，而且可改變。常束的強(qiáng)度要選擇在使它的透射強(qiáng)度恰在透射曲線高峰的下方。變束的強(qiáng)度是當(dāng)它加上常束時(shí)，可以到達(dá)高峰的區(qū)域（見圖七）。

這也與電晶體相似，常束像自射極流向集極的電流，變束像自基極流向集極的小電流。一個(gè)小的基極電流變化會(huì)導(dǎo)致甚大的集極電流變化，一個(gè)小的變束變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)相器的透射大為提高。像電晶體一樣，轉(zhuǎn)相器可以在兩個(gè)截然可分的狀態(tài)間交換且速度非常快。雖然無法直接測(cè)量時(shí)間，但間接的證據(jù)顯示它只要幾個(gè)10-12秒。一旦光學(xué)電晶體完成，下一步就是邏輯閘的組合了。事實(shí)上，一個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)相器就能做為「及閘」或「或閘」，完全視供給它的光束而定。如果所選擇的兩條光束──兩者單獨(dú)的強(qiáng)度都不足以造成狀態(tài)的交換，但合起來的強(qiáng)度卻足以產(chǎn)生交換，這就是一個(gè)「反閘」了。如果兩光束中只要一條單獨(dú)的光束就足以產(chǎn)生狀態(tài)的交換，這就是「或閘」了?！阜撮l」是藉著以反射光束為輸出而建立，增加入射光強(qiáng)度則輸出少；減少入射光強(qiáng)度，則輸出多。

光算機(jī)

建造光算機(jī)要靠組合許多的光學(xué)線路元件。在1970年代，能傳導(dǎo)鐳射光的薄膜曾被深入地研究過。導(dǎo)波管在原理上可做為連接光學(xué)積體線路的元件，雖然光學(xué)積體線路還沒有被嘗試制造過。新的光學(xué)科技的一個(gè)應(yīng)用是建造一個(gè)與目前電子計(jì)算器結(jié)構(gòu)或邏輯組織相似的光算機(jī)。它的價(jià)值在于高速度。"光學(xué)邏輯閘可以在一秒內(nèi)做一兆（1012）次的運(yùn)算。"光學(xué)開閉元件所具有的性質(zhì)也能用來做新的計(jì)算器設(shè)計(jì)。在一個(gè)單獨(dú)的電晶體上，好幾道電流無可避免的會(huì)互相作用混合，然而好幾道光束卻可通過同一個(gè)干涉計(jì)而保持分離。如此便有可能用一個(gè)單獨(dú)的晶體來進(jìn)行數(shù)個(gè)交換操作。如果有五條光線，適當(dāng)?shù)剡x擇強(qiáng)度，可個(gè)別進(jìn)行幾個(gè)不同的運(yùn)算，例如兩束可用做「及閘」，兩束用做「或閘」，一束以電晶體的方式工作（見圖八）。

如果這五路光束是自一個(gè)相同的信號(hào)源出來，那么這個(gè)信號(hào)可同時(shí)接受不同的運(yùn)算。輸出的信號(hào)可聚合起來或保持分開地繼續(xù)被處理。這種操作方式需要一種與目前電子計(jì)算器相當(dāng)不同的線路。光學(xué)開閉元件還可導(dǎo)致其他計(jì)算器設(shè)計(jì)與邏輯的修改。其中一種是用超過兩個(gè)邏輯狀態(tài)的元件。當(dāng)入射強(qiáng)度連續(xù)增加時(shí)，某些晶體可以產(chǎn)生更多階段的高透射率。各階段的透射強(qiáng)度可代表多值邏輯系統(tǒng)的狀態(tài)（見圖九）。

因此這種光學(xué)元件不可只視為一個(gè)更快的代替者，相反的它的最大價(jià)值來自其他方法無法模擬的應(yīng)用?？蓴y帶龐大數(shù)量信息的光學(xué)纖維正與日俱增，包括計(jì)算器間的通訊。光學(xué)開閉元件自然是光學(xué)系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的媒介。一旦光算機(jī)開始建造，光學(xué)纖維可以用來做計(jì)算器系統(tǒng)間直接聯(lián)系之媒介。

光學(xué)資料處理

目前，晶體成長及薄膜制造的技術(shù)使制造大而薄的片狀晶體成為可能。如果薄片上的每一個(gè)小面積都可做為光學(xué)開閉元件（兩個(gè)狀態(tài)或多狀態(tài)），一個(gè)影像直接投射在薄片上，則透射的光可做為影像的數(shù)位紀(jì)錄。影像記錄下來之后，可做許多的影像處理。上面的描述已經(jīng)表達(dá)了對(duì)光學(xué)開閉元件的相當(dāng)樂觀的看法，下面將考慮一下實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)與商業(yè)成品間的困難。在我們的研究中，曾有須在低溫操作的問題，如能在常溫操作將使光學(xué)計(jì)算器更具實(shí)用性。銻化銦的能隙很小，而且隨著溫度的上升而變小。利用10微米波長的一氧化碳鐳射，我們已經(jīng)能在室溫進(jìn)行開閉了。新的鐳射及材料無疑地將增進(jìn)光學(xué)開閉元件的效率及速度。適當(dāng)?shù)牟牧鲜墙ㄔ旃馑銠C(jī)的實(shí)際中心問題。一般是希望開閉元件消耗功率越低越好。交換功率是入射光強(qiáng)度與晶體面積的乘積。減小元件的大小可以降低開閉功率。然而元件無法做得太小，因?yàn)殍D射光束可以聚集得多細(xì)是有限制的，同時(shí)尺寸太小，過熱變成了另一個(gè)問題。與此要求相抗衡的是在某些限制下，開閉的時(shí)間可隨著功率的增加而減少。建造開閉元件必須對(duì)功能的要求、元件的大小、交換的速度及功率、非線性材料的光學(xué)及熱性質(zhì)加以考慮。適當(dāng)?shù)倪x擇材料及發(fā)現(xiàn)新的非線性物質(zhì)是發(fā)展光算機(jī)的基本工作。雖然有這些不可避免的困難，我們認(rèn)為建造光算機(jī)是可實(shí)行且令人興奮的期望。2007/9/14被g950g950最后編輯|查看全部g950g950(組長)2007/9/115樓舉報(bào)傳統(tǒng)信息科學(xué)的困境

1948年，夏農(nóng)（ClaudeShannon,1916-2001）發(fā)表了兩篇奠定現(xiàn)代信息與通訊理論的論文。在資料處理上，他提出「位（bit）」的觀念，利用無雜訊通路編碼定理測(cè)度信息存貯量；在通訊方面，則以雜訊通路編碼定理，來決定雜訊通道所能容許的信息傳輸量；并證明藉由修正錯(cuò)誤碼可保護(hù)信息不受干擾。另一方面，早在1936年，英國數(shù)學(xué)家杜林（AlanTuring,1912-1954）提出杜林機(jī)概念，它是一種現(xiàn)今稱為可程序化電腦的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。杜林認(rèn)為，杜林機(jī)可以模擬所有可計(jì)算的演算法，亦即任何可計(jì)算演算法若能被硬件系統(tǒng)完成，則此演算法必對(duì)應(yīng)某一等價(jià)的杜林機(jī)演算法，這是將抽象的計(jì)算理論與實(shí)際物理系統(tǒng)相結(jié)合的基本理論，稱為"邱奇?杜林論點(diǎn)"。但在1970年代中期興起的隨機(jī)演算法，證明此論點(diǎn)有一些問題，因?yàn)椴o法經(jīng)由杜林機(jī)以有效步驟的演算法來完成，這迫使我們必須修正邱奇杜林論點(diǎn)?；诖?，我們或許會(huì)問，是否存在另一種我們未知的計(jì)算理論模型，不管在資料處理的效率、資料的壓縮、傳遞過程的安全性上，皆優(yōu)于傳統(tǒng)的信息理論呢？邱奇?杜林論點(diǎn)出現(xiàn)后，馮紐曼（JohnVonNeumann,1903-1957）接著提出如何以真實(shí)元件來建構(gòu)計(jì)算器模型的論點(diǎn)，在一九四六年美國賓州大學(xué)利用真空管實(shí)現(xiàn)全世界第一部數(shù)值計(jì)算器后，1947年巴?。↗ohnBardeen,1908-1991）等人發(fā)明了電晶體及1958年諾思（RobertNoyce,1927-1990）發(fā)明了集成電路，藉由這些元件的運(yùn)用，制造技術(shù)更為精進(jìn)，使得計(jì)算器發(fā)展逐漸邁向新時(shí)代。另一方面，基于經(jīng)濟(jì)與性能上的考量，科學(xué)家與工程師不斷致力于增加芯片上電晶體的數(shù)目，目前的技術(shù)已可在芯片上載入十億顆電晶體，依此趨勢(shì)將無法避免于日后大量應(yīng)用單電子電晶體元件，亦即利用單電子傳輸行為來載入或刪除資料。電晶體元件在這種奈米尺度之下（約十奈米），量子穿隧效應(yīng)將變得重要，我們必須有效地掌控這些效應(yīng)，才能完成各種邏輯運(yùn)算。雖然這類奈米級(jí)電腦在物理上受控于量子力學(xué)，但資料的處理仍建構(gòu)在傳統(tǒng)的信息理論上。值得注意的是，奈米電腦的出現(xiàn)意味著傳統(tǒng)半導(dǎo)體制程技術(shù)已走到盡頭，現(xiàn)有的資料處理運(yùn)算原理亦將無法再往前邁進(jìn)，所以我們勢(shì)必要發(fā)展出一套更有效率的計(jì)算模型及理論，以超越傳統(tǒng)計(jì)算理論的極限。這個(gè)時(shí)候，量子計(jì)算與信息理論，提供了我們一個(gè)嶄新的方向。

量子計(jì)算與信息發(fā)展史

以下概述量子計(jì)算與信息發(fā)展過程中的重要發(fā)現(xiàn)，藉此可知科學(xué)家如何以量子力學(xué)的思維與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，重新詮釋電腦科學(xué)與信息理論。傳統(tǒng)電腦信息利用0與1做為代表信息的基本單位，在實(shí)際操作上則以電流在邏輯閘上的流通與否，來完成各種邏輯運(yùn)算。而量子信息的基本單位是量子位（qubit），藉由電子、原子的量子物理特性，把量子位用自旋1/2的電子，或是具有二能階的原子來代表。量子位與傳統(tǒng)數(shù)位位最大的差異是，某一時(shí)刻數(shù)位或模擬的傳統(tǒng)位只處在一種狀態(tài)，但量子位卻可同時(shí)具有0、1及其線性的疊加態(tài)，由此構(gòu)成一個(gè)「量子疊加態(tài)」。此疊加態(tài)直到被量測(cè)破壞后才呈現(xiàn)出0或1的最終結(jié)果，至于兩者中何者會(huì)呈現(xiàn)，則完全由它們各自的概率振幅來決定，亦即概率振幅越大者，被量測(cè)到的機(jī)會(huì)越大。量子電腦的構(gòu)想始于一九八○年代初期，當(dāng)時(shí)貝尼奧夫（PaulBenioff）提出一臺(tái)杜林機(jī)原則上可以用量子力學(xué)的方式來操作的原理；費(fèi)曼（RichardFeynman,1918-1988）則認(rèn)為杜林機(jī)無法有效完整地模擬量子力學(xué)，并更進(jìn)一步提出基于可逆計(jì)算的量子電腦模型；之后杜奇（DavidDeutsch）提出第一個(gè)通用量子杜林機(jī)與量子平行理論的模型。然而這些論點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未獲得大家的重視，主要原因在于這些量子電腦的研究太過抽象，而且顯示它們運(yùn)算時(shí)容易受到外界的干擾而出錯(cuò)，且不易修正。一直到1993年洛伊德（SethLloyd）提出，利用誘導(dǎo)一系列原子間弱交互作用共振移轉(zhuǎn)的電子脈沖，來實(shí)現(xiàn)量子電腦系統(tǒng)的構(gòu)想，以及1994年修爾（PeterShor）提出，快速完成質(zhì)因數(shù)分解的第一個(gè)量子演算法，因而將量子計(jì)算帶入了一個(gè)嶄新的境界。接著1996年葛羅佛（LovGrover）亦發(fā)表快速搜尋資料的量子演算法，于是才真正引起科學(xué)家普遍的興趣及研究熱潮。在量子信息方面，威斯納（S.Wiesner）于1960年代末提出量子貨幣的構(gòu)想，啟發(fā)了貝內(nèi)特（CharlesBennett）與布拉薩德（GillesBrassard）于1989年利用一系列偏振光子做為傳輸與加密信息的工具。1992年貝內(nèi)特與威斯納提出利用量子力學(xué)中的量子糾纏性質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)資料高密度加密的傳輸理論；次年，貝內(nèi)特等人提出「?jìng)鬟_(dá)量子信息，而不需要傳遞量子位」的量子隱形傳輸構(gòu)想。1994年約薩（RichardJozsa）與舒馬赫（BenjaminSchumacher）則對(duì)量子信息量加以定義編碼，并進(jìn)一步達(dá)成量子資料的壓縮。

量子邏輯運(yùn)算閘

在數(shù)位資料處理中，把執(zhí)行運(yùn)算的基本單元加以組合，以完成特定的計(jì)算工作，即為"邏輯運(yùn)算閘"，如及（AND）閘或非（NOT）閘等，而量子計(jì)算用來執(zhí)行運(yùn)算的單元稱為量子邏輯閘。作用在量子位上的邏輯運(yùn)算是一系列的么正轉(zhuǎn)換，何謂么正？就是「把一個(gè)狀態(tài)從過去帶到未來的轉(zhuǎn)換矩陣，必須符合總概率固定的條件」。在實(shí)際運(yùn)算上我們需要藉助邏輯運(yùn)算閘，選定物理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，以完成我們?cè)凇高壿嬌稀瓜胍瓿傻挠?jì)算任務(wù)。在量子力學(xué)中，我們是以哈密頓（Hamilton）描述整個(gè)物理系統(tǒng)，由薛丁格方程序描述系統(tǒng)的演化，并在此封閉系統(tǒng)中某特定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)步驟后，得到演化后的系統(tǒng)狀態(tài)，由此完成邏輯上想要完成的運(yùn)算。但是實(shí)驗(yàn)上的設(shè)計(jì)往往很難理想地實(shí)現(xiàn)所希望的邏輯運(yùn)算，例如：我們雖然可以利用一量子簡諧振蕩子的物理系統(tǒng)（粒子于拋物線勢(shì)能中的運(yùn)動(dòng)），完成控制[color=red]非（controlled-NOT，CNOT）閘的運(yùn)算，但因?yàn)榇讼到y(tǒng)類似于一種多能階系統(tǒng)，系統(tǒng)能量比二能階系統(tǒng)來得大，同時(shí)易受噪音干擾，使得這個(gè)簡單的系統(tǒng)無法成為理想的量子邏輯閘。

量子演算法

所謂演算法，是將解題的過程分解成有限個(gè)步驟的機(jī)械過程。若以運(yùn)算步驟的多寡將問題分類，則對(duì)一個(gè)n位的正整數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解時(shí)，用傳統(tǒng)演算法處理約需要exp(n1/3)個(gè)步驟來完成，這種隨輸入變數(shù)n的增加，演算步驟呈指數(shù)型態(tài)驟增的問題，稱為"NP（non-deterministicpolynomial）類問題"，而演算步驟可以在多項(xiàng)式步驟內(nèi)完成者，則稱為"P（polynomial）類問題"。量子演算法最大的優(yōu)勢(shì)就在于，能將原本傳統(tǒng)演算法的NP類問題變成P類問題，或是縮減原先的運(yùn)算步驟。另一方面，量子演算法運(yùn)用量子力學(xué)中的量子干涉、量子疊加態(tài)、量子糾纏等性質(zhì)，以概率的型態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，得出的結(jié)果將是所有可能狀態(tài)同時(shí)存在，不同于傳統(tǒng)演算法的單一狀態(tài)結(jié)果，這些可能狀態(tài)各以不同概率振幅構(gòu)成一個(gè)疊加態(tài)，并經(jīng)由量測(cè)后得出最后答案。修爾針對(duì)質(zhì)因數(shù)分解的問題，提出了第一個(gè)量子演算法，其演算步驟為一系列的么正算符經(jīng)由可逆平行運(yùn)算，使得構(gòu)成疊加的本徵狀態(tài)互相糾纏干涉，在計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)較大概率振幅的狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)最后所量測(cè)到的答案。應(yīng)用此種量子演算法，分解一個(gè)n位整數(shù)，只需要約n2個(gè)步驟即可，亦即把NP類問題變成P類問題。修爾演算法最大的應(yīng)用在于能輕易地破解現(xiàn)代密碼學(xué)中最具威力的RSA（Rivest,Shamir,Adleman）密碼系統(tǒng)，RSA是以質(zhì)因數(shù)的分解做為加、解密的基礎(chǔ)，一旦質(zhì)因數(shù)的分解變得容易，密碼將輕易地被破解。繼修爾之后，同為美國AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家葛羅佛，提出