量子计算与计算机科学

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1、计算机时代2009年第1期·7·量子计算与计算机科学12李建明，李锋(1.广东轻工职业技术学院，广东广州510300；2.广东交通职业技术学院)摘要：量子力学是研究物质微观特性及其运动规律的物理学分支，它与计算机科学的完美结合产生了一门新兴学科——量子计算信息学，即量子计算机科学。文章先介绍传统电子器件的两个发展极限，引出量子计算的研究背景，再阐述其工作原理和对传统密码学的冲击，最后介绍了近年来量子计算的研究成果与其发展前景。关键词：量子比特；量子力学；量子相干性；并行运算0引言耗费1025年[2]。而遵循量子力学定理的新一代计算机利用超高速并行运算只需几秒即可得出

2、结果。现在让我们打开量子计自1946年第一台电子计算机诞生至今，共经历了电子管、算的潘多拉魔盒，走进奇妙神秘的量子世界。晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路四个时代。计算1.2量子计算的存储方式机科学日新月异，但其性能却始终满足不了人类日益增长的信量子计算的信息存储单位是量子比特，其两态的表示常用息处理需求，且存在不可逾越的“两个极限”。以下两种方式：其一，随着传统硅芯片集成度的提高，芯片内部晶体管数⑴利用电子自旋方向。如向左自转状态代表“1”，向右自与日俱增，相反其尺寸却越缩越小（如现在的英特尔双核处理转状态代表“0”。电子的自转方向可通过电磁波照射加以控制。

3、器采用最新45纳米制造工艺，在143平方毫米内集成2.91亿晶⑵利用原子的不同能级。原子有基态和激发态两种能体管）。根据摩尔定律估算，20年后制造工艺将达到几个原子级，规定原子基态时为“0”，激发态时为“1”。其具体状态可通级大小，甚至更小，从而导致芯片内部微观粒子性越来越弱，相过辨别原子光谱或核磁共振技术辨别。反其波动性逐渐显著，传统宏观物理学定律因此不再适用，而量子计算在处理0～n个数相加时，采用的是并行处理方式遵循的是微观世界焕然一新的量子力学定理。也就是说，20年将“00”、“01”、“10”、“11”等n个数据同时输入处理器，并在最后后传统计算机将达到它的

4、“物理极限”。做一次运算得出结果。无论有多少数据，量子计算都是同时输其二，集成度的提高所带来耗能与散热的问题反过来制约入，运算一次，从而避免了传统计算机输入一次运算一次的耗着芯片集成度的规模，传统硅芯片集成度的停滞不前将导致计时过程。当对海量数据进行处理时，这种并行处理方式的速率算机发展的“性能极限”。如何解决其发热问题？研究表明，芯片足以让传统计算机望尘莫及。耗能产生于计算过程中的不可逆过程。如处理器对输入两串数1.3量子叠加态据的异或操作而最终结果却只有一列数据的输出，这过程是不量子计算为何能实现并行运算呢？根本原因在于量子比可逆的，根据能量守恒定律，消失的数据

5、信号必然会产生热量。特具有“叠加状态”的性质。传统计算机每个比特只能取一种倘若输出时处理器能保留一串无用序列，即把不可逆转换为可逆可识别的状态“0”或“1”，而量子比特不仅可以取“0”或“1”，还过程，则能从根本上解决芯片耗能问题。利用量子力学里的玄可同时取“0”和“1”，即其叠加态。以此类推，n位传统比特仅能正变换把不可逆转为可逆过程，从而引发了对量子计算的研究。代表2n中的某一态，而n位量子比特却能同时表示2n个叠加态，1量子计算的基本原理n这正是量子世界神奇之处。运算时量子计算只须对这2个量1.1传统计算的存储方式子叠加态处理一次，这就意味着一次同时处理了2n

6、个量子比特首先回顾传统计算机的工作原理。传统电子计算机采用（同样的操作传统计算机需处理2n次，因此理论上量子计算工比特作为信息存储单位。从物理学角度，比特是两态系统，它作速率可提高2n倍），从而实现了并行运算。可保持其中一种可识别状态，即“1”或者“0”。对于“1”和“0”，量子叠加态恐怕读者一时难以接受，即使当年聪明绝顶的可利用电流的通断或电平的高低两种方法表示，然后可通过与爱因斯坦也颇有微词。但微观世界到底有别于我们所处的宏非门两种逻辑电路的组合实现加、减、乘、除和逻辑运算。如把观世界，存在着既令人惊讶又不得不承认的事实，并取得了多0～n个数相加，先输入“00”

7、，处理后输入“01”，两者相“与”再输方面验证。以下用量子力学描述量子叠加态。入下个数“10”，以此类推直至处理完第n个数，即输入一次，运现有两比特存储单元，经典计算机只能存储00，01，10，11算一次，n次输入，n次运算。这种串行处理方式不可避免地制四位二进制数，但同一时刻只能存储其中某一位。而量子比特约着传统计算机的运算速率，数据越多影响越深，单次运算的除了能表示“0”或“1”两态，还可同时表示“0”和“1”的叠加态，时间累积足可达到惊人的数字。例如在1994年共1600个工作量子力学记为：站历时8月才完成对129位（迄今最大长度）因式的分解[1]。倘

8、φ