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量子计算方法

发布时间:2022-07-09 18:09:21

㈠ 量子计算机的工作原理和运用

量子计算机,顾名思义,就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算,首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点:
其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110,用量子记号,即|0110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:C1|0110110
>+
C2|1001001>。
经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。
相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的么正变换。因此量子计算机的特点为:
量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;
量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。
由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。因此,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。
迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机!

㈡ 量子计算机的工作原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行,称为“比特”(bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特(qubit)上运算,可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子,它像陀螺一样旋转,于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉我们:原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中,每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。
想象一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们已经完成了一次复杂的量子“计算”,涉及了许多自旋的快速移动。
从数学抽象上看,量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算,普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算(如果集合中只有一个元素,量子计算与经典计算没有区别)。
以函数y=f(x),x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A,一步到位得到输出值域B,即B=f(A);经典计算的输入参数是x,得到输出值y,要多次计算才能得到值域B,即y=f(x),x∈A,y∈B。
量子计算机有一个待解决的问题,即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法,已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素,但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

㈢ 量子计算机的算法理论

量子计算机在1980年代多处于理论推导状态。1994年彼得·秀尔(Peter Shor)提出量子质因子分解算法后,因其对于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。
半导体靠控制集成电路来记录及运算信息,量子计算机则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。 1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能做出离散对数运算[11],而且速度远胜传统计算机。因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40比特的量子计算机,就能在很短时间内解开1024位计算机花上数十年解决的问题。 量子计算机,顾名思义,就是实现量子计算的机器。是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机(或称传统电脑),量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。
要说清楚量子计算,首先看经典计算机。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。
1.其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110,用量子记号,即|0110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:C1|0110110 >+ C2|1001001>。
2.经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。
相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的幺正变换。
1.量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;
2量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。
由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,量子并行计算。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。因此,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。
正如大多数人所了解的,量子计算机在密码破解上有着巨大潜力。当今主流的非对称(公钥)加密算法,如RSA加密算法,大多数都是基于于大整数的因式分解或者有限域上的离散指数的计算这两个数学难题。他们的破解难度也就依赖于解决这些问题的效率。传统计算机上,要求解这两个数学难题,花费时间为指数时间(即破解时间随着公钥长度的增长以指数级增长),这在实际应用中是无法接受的。而为量子计算机量身定做的秀尔算法可以在多项式时间内(即破解时间随着公钥长度的增长以k次方的速度增长,其中k为与公钥长度无关的常数)进行整数因式分解或者离散对数计算,从而为RSA、离散对数加密算法的破解提供可能。但其它不是基于这两个数学问题的公钥加密算法,比如椭圆曲线加密算法,量子计算机还无法进行有效破解 。
针对对称(私钥)加密,如AES加密算法,只能进行暴力破解,而传统计算机的破解时间为指数时间,更准确地说,是 ,其中 为密钥的长度。而量子计算机可以利用Grover算法进行更优化的暴力破解,其效率为 ,也就是说,量子计算机暴力破解AES-256加密的效率跟传统计算机暴力破解AES-128是一样的。
更广泛而言,Grover算法是一种量子数据库搜索算法,相比传统的算法,达到同样的效果,它的请求次数要少得多。对称加密算法的暴力破解仅仅是Grover算法的其中一个应用。
在利用EPR对进行量子通讯的实验中科学家发现,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模拟,人们一旦有了量子模拟计算机,就无需求解薛定谔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。

㈣ 量子计算机工作原理

量子计算机的工作原理:

量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追根溯源,是对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论,处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法。1981年,美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff最早提出了量子计算的基本理论。

1、量子比特

经典计算机信息的基本单元是比特,比特是一种有两个状态的物理系统,用0与1表示。在量子计算机中,基本信息单位是量子比特(qubit),用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态0和1。量子比特相较于比特来说,有着独一无二的存在特点,它以两个逻辑态的叠加态的形式存在,这表示的是两个状态是0和1的相应量子态叠加。

2、态叠加原理

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理,属于量子力学的一个基本原理。一个体系中,每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中,量子的运动状态无法确定,呈现统计性,与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。

3、量子纠缠

量子纠缠:当两个粒子互相纠缠时,一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态,此现象与距离无关,理论上即使相隔足够远,量子纠缠现象依旧能被检测到。因此,当两粒子中的一个粒子状态发生变化,即此粒子被操作时,另一个粒子的状态也会相应的随之改变。

4、量子并行原理

量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字,通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字,并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法,可直接通过幺正变换得到,大大缩短工作损耗能量,真正实现可逆计算。

(4)量子计算方法扩展阅读:

量子计算机的难点:

1、量子消相干

量子计算的相干性是量子并行运算的精髓,但在实际情况下,量子比特会受到外界环境的作用与影响,从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰,导致量子相干性降低,也就是所谓的消相干现象。实际的应用中,无法避免量子比特与外界的接触,量子的相干性也就不易得到保持。所以,量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一,它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

2、量子纠缠

量子作为最小的颗粒,遵守量子纠缠规律。即使在空间上,量子之间可能是分开的,但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此,量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上,利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。

3、量子并行计算

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器,经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者,而且读取速度快,多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性,它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性,是指任何未知的量子态不存在复制的过程,既然要保持量子态不变,则不存在量子的测量,也就无法实现复制。对于量子计算机来说,无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

㈤ 量子计算机的原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行,称为“比特”(bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特(qubit)上运算,可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子,它像陀螺一样旋转,于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。

常识告诉我们:原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中,每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

想象一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们已经完成了一次复杂的量子“计算”,涉及了许多自旋的快速移动。

从数学抽象上看,量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算,普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算(如果集合中只有一个元素,量子计算与经典计算没有区别)。

以函数y=f(x),x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A,一步到位得到输出值域B,即B=f(A);经典计算的输入参数是x,得到输出值y,要多次计算才能得到值域B,即y=f(x),x∈A,y∈B。

量子计算机有一个待解决的问题,即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法,已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素,但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

(5)量子计算方法扩展阅读:

2017年5月,中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。

此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍,比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍,虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。

2017年7月,美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器[23]。哈佛大学米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子,并使用激光将原子固定。

2018年6月,英特尔宣布开发出新款量子芯片,使用五十奈米的量子比特做运算,并已在摄氏零下273度的极低温度中进行测试。

㈥ 量子计算的基本原理

量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四个数,因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话,计算能力就呈指数级提高。 量子位(qubit)是量子计算的理论基石。在常规计算机中,信息单元用二进制的 1 个位来表示,它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外,还可处于叠加态(super posed state) . 叠加态是“ 0” 态和“ 1” 态的任意线性叠加,它既可以是“ 0” 态又可以是“ 1” 态,“ 0” 态和“ 1” 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“ 0” 态或 “ 1” 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位,例如氢原子中的电子的基态(gro und state)和第 1 激发态(f irstex cited state)、 质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圆偏振光的左旋和右旋等。
一个量子系统包含若干粒子,这些粒子按照量子力学的规律运动,称此系统处于态空间的某种量子态.态空间由多个本征态(eigenstate) (即基本的量子态)构成,基本量子态简称基本态(basic state)或基矢(basic vector) . 态空间可用Hilbert 空间(线性复向量空间)来表述,即Hilbert 空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算,Dirac提出用符号 x〉 来表示量子态,x〉 是一个列向量,称为ket ;它的共轭转置(conjugate t ranspose) 用〈 x 表示,〈 x 是一个行向量,称为bra.一个量子位的叠加态可用二维Hilbert 空间(即二维复向量空间)的单位向量 〉 来描述,其简化的示意图如右图所示. 量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是,提高所需量子装置的准确性有困难。
世界上第一台商用量子计算机
加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”,量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。其实早在2007年初,D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion”(猎户座),不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机,只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。
时隔四年之后,D-Wave One终于脱胎换骨、正式登场。它采用了128-qubit(量子比特)的处理器,四倍于之前的原型机,理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。另外,D-wave公司将会在2013年1月将其升级至512量子比特。不过呢,也别太兴奋,这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务,通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手,而且编程方面也需要重新学习。 另外,为尽可能降低qubit的能级,需要利用低温超导状态下的铌产生qubit,D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近(20 mK) 。
最后就是价格,2011年,NASA和Google分别以约一千万美元购置了一台512位qubit的D-Wave量子计算机 。这绝对是天价中的天价了,不过也是新技术开端的必然,就像当初的第一台电子计算机ENIAC造价就有40万美元(二十世纪四十年代的40万美元)。

㈦ 量子计算机的原理是什么

大约到2030年,每个人桌上的电脑主机不会再使用芯片与半导体,而是充满液体。而这正是新一代量子电脑的奇特造型。

也许你已经知道,量子电脑应用的不再是现实世界里的物理定律,而是玄妙的量子原理。它的运算速度可能比目前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍,可以在二瞬间搜寻整个国际网络,也可以轻易破解任何安全密码。而且,最重要的一点是,这一切绝非科幻小说。与传统电脑不同的是,量子电脑将以原子而非芯片进行运算。第一台量子电脑可能会是个粗糙、昂贵、只能用一次的科学实验品,但2001年以来的各种实验结果显示,这项科学理论的确管用。

美国麻省理工学院与英国牛津大学是量子电脑研究的先驱,IBM与惠普电脑公司也不落人后。对量子电脑的惊人性能感到担忧的美国政府,更是在洛斯阿拉莫斯国家实验室,不计成本地设立了量子电脑研究基地。

要让原子乖乖地为人类服务这个难题,无论是在理论上,坯是在实践上,都对科学家发出了严峻挑战。因为量子世界是个超乎常理的环境,我们可能永远也猜不出它的“谜底”。量子电脑也有很多匪夷所思的地方,它能够设想无限多个宇宙并列的场面,并由此“算出”可能出现的各种情况。而这意味着,不同的人在不同的时间,通过量子电脑计算得到的,很可能是不同的答案。

量子电脑专家班奈特说,量子电脑的基础,恰恰就是这些怪异的观念。因此,单是创造一个类似量子世界的环境,让原子照常进行计算并提供答案,就足以让科学家伤透脑筋。也许还要好几十年,量子电脑才会出现在我们的书桌上。

其实科学家早已注意到,原子是个天然的计算机。它会旋转,而且很有规律,方向不是朝上就是朝下,这正好与数字科技的“0”与“1”吻合。但原子有一个怪异的特性:一个原子,可以在同一时间向上并向下旋转,直到你用电子显微镜或其他工具测量它,才会迫使它选择一个固定方向。这既是原子的特异功能,也是量子电脑强大力量的来源。

既然原子可以同时向上并向下旋转,它就不能被视为单一的“位元”。科学家称之为“准位元”,就是出于这个原因。这意味着,如果把一群原子聚在一起,它们不会像今天的电脑那样,按照程序进行线性运算,而是同时进行所有可能的运算。这种运算方式的直接好处是计算机的运算速度成指数地加快了。

只要40个原子一起计算,其性能就相当于今天的一部超级电脑。举例来说,如果有一个包含全球电话号码的资料库,要从中寻找一个我们需要的特定号码,现在速度最快的超级电脑,大约要花一个月的时间才能完成任务,而一台量子电脑只需27分钟。

但是,答案那么多,速度那么快,我们怎么取回想要的计算结果呢?前面说过,对原子进行测量可以迫使它选择旋转方向,因此科学家只要测量这些“准位元”,就可以逼迫它们说出答案。

最近,麻省理工学院与mM公司的科学家,终于通过特定方式,做出了原始的量子电脑。虽然它看上去和一个烤面包机没有多大差别,但功能却比烤面包机高明多了。这个实验性质的量子电脑,具有两个“准位元”的计算能力。也就是说,它的威力等于两个原子同时进行运算。目前,科学家们正在朝三个“准位元”的目标努力。

㈧ 量子计算机相比普通电脑运算为什么更快怎么样计算

量子计算机,早先由理乍得·费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理乍得·费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。
2量子计算机,或推而广之——量子资讯科学,在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。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。
半导体靠控制集成电路来记录和运算信息,量子电脑则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。
图2:布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法,是建立量子计算机的基础。
20世纪60年代至70年代,人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。
1994年,贝尔实验室的专家彼得·舒尔(Peter Shor)证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40位元的量子计算机,就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。

量子计算机的特点
相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的玄正变换。
1.量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;
2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。
由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。因此,要使量子计算成为现 承载16个量子位的硅芯片实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。
迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新,这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算 量子计算机原理机无法解决的问题。

㈨ 量子计算机是怎样的

量子计算机不同于我们平时有的计算机。它是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。如果某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法,那么它就是量子计算机。

这种量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。科学家们研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。还是先了解一下什么是量子计算机吧!

对于现在,我们使用的电子计算机集成电路的集成度,大约以每3年翻两番的速度发展。1990年制成了64兆位的动态随机存储器,集成电路的线宽已细到0.3微米。1993年制成了256兆位的动态随机存储器。当存储器达到1024兆位时,集成电路的线宽将细到0.1微米,也就是千万分之一米,它差不多是一根头发丝的千分之一。这么细的电路,被认为是集成电路的发展极,如果电路比这更细时,现有电子元件将会失去工作的理论基础,因为电子作为一种微小粒子,具有“波粒二象性”,当电路线宽大于0.1微米时,电子完全可视为粒子,而不必考虑其波动性;而当电路线宽小于0.1微米时,那么就必须考虑电子的波动性。与此同时还会出现种种新的物理现象,称为量子效应。利用量子效应工作的电子元件就被称为量子元件。

现在的电子元件是通过控制所通过的电子数量多少或有无来进行工作的。宏观上,电子计算用电位的高低来表示0和1以进行存储和计算。而量子元件则通过控制粒子波动的相位来实现输出信号的强弱和有无,量子计算机通过利用粒子的量子力学效应,如光子的极化,原子的自旋等来表示0和1以进行存储和计算。量子元件的使用将使计算机的工作速度大大提高(约可提高1000倍),功耗大大减少(约可减少1000倍),电路大大简化且不易发热,体积大大缩小。

量子计算机,最早是由理乍得·费曼提出的,一开始是从物理现象的模拟而来的。可是,他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而使资料量也变得庞大。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。理乍得·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,比现行计算机要快得多。正是它的这一特点吸引了大批科学家参与开发研究。量子计算机的概念也由此而诞生以及被人注意。

早期量子计算机,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的

日本日立制作所开发研究成功了一种量子元件——“单个电子晶体管”,它可以控制单个电子的运动。这种晶体管不仅体积小,而且功耗特别低,比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。日本富士通公司正在开发量子元件超高密度存储器,在1平方厘米面积的芯片上,可存储10万亿比特的信息,相当于可存储6000亿个汉字。美国物理学家翰逊博士开发成功的电子自旋晶体管,很有可能将集成电路的线宽降至0.01微米。在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管,从而使集成电路的集成度大大提高。利用量子力学原理设计,由量子元件组装的量子计算机。它不仅运算速度快,存储量大、功耗低,而且体积也会大大缩小。一个超高速计算机可以直接放在口袋里,人造卫星的直径可以从数米减小到数十厘米。

量子计算机它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模拟,人们一旦有了量子模拟计算机,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。

量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的,量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序,其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂,再进行高速的量子修补,但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的,因此造价相当惊人。目前唯一一台量子计算机仍在微软的硅谷老家中,尚在试验阶段,离投入使用还会有一段时间。量子计算机当然不是给我们用来玩电子游戏的,因为这好比拿激光切割机去切纸大材小用。它的主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。但是在运行这一系列高难度运算的背后,是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。假如1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量,但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽,当然这也只是最保守的估计;试想如果一台量子计算机一天工作4小时左右,那么它的寿命将只有可怜的2年,如果工作6小时以上,恐怕连1年都不行,这也是最保守的估计;假定量子计算机每小时有70摄氏度,那么2小时内机箱将达到200度,6小时恐怕散热装置都要被融化了,这也还只是最保守的估计!

所以由此看来,高能短命的量子计算机恐怕离我们的生活还有一段漫长的距离,那么就让我们一起迎着未来的曙光拭目以待吧!

我们现在使用的计算机可以说是够高科技的,没想到科学家们还能研发出更为高科技的电子产品,这对于我们未来的生活来说是一种有益的帮助。只有科技不断进步,我们的社会也才会跟着不断的进步。对于未来的世界,我们有的是更多的期盼吧!

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