量子计算及量子计算机

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1、光电子技术与信息量子计算及量子计算机陈洪光,沈振康国防科技大学国家重点实验室,湖南长沙摘要介绍了量子计算和量子计算机的基本概念,分析了量子计算比之经典计算的特点,讨论了量子计算机物理上的几种可能实现方法,最后展望了量子计算机的应用前景关键词量子计算量子位量子逻辑门量子算法中图分类号文献标识码文献编号一一一,一,,,,概述实验室的发现了因子分解的有效量子算法,从此量子计算的研究进入高潮,全世界范围量子计算的概念起源于对可逆计算机的研究。,内的科学家和研究机构针对量子信息技术做了不同方在计算机的发展过程中小型化和高度集成化是一个。,向的探索重要的目标但是随着

2、芯片体积的缩小和集成度的提高,计算机的能耗对芯片的影响越来越大能耗制约量子计算的特点降着集成度,也就制约着计算机的运行速度年,,,为了仿真模拟量子力学系统提出了按照在分析量子计算的特点之前我们先简单了解一,,量子力学规律工作计算机的概念这被认为是最早量下量子计算的一个重要理论基础即量子力学原理,,‘,,子计算机的思想年大学的其实对量子计算以及量子算法的研究并不一定要,,在发表的一篇理论性论文中深入研究了量去系统地学习量子力学只需要理解与量子计算有关子计算机是否比经典计算机更有效的问题,他定义了的量子态的基本特性就可以了就如同了解常规计算量子机,描述了量子

3、计算机的一般模型,预言机时不一定需要系统学习半导体物理一样以下对量了量子计算机的潜在能力侧与此同时,七和子态的叠加和纠缠两个主要性质加以阐述其他一些物理学家认识到,一个数学间题的算法复杂叠加态它的物理意义就是性,,,的与分类多项式时间算法与非多项式时间如果必妈⋯⋯甄所描写的都是体系可能的量子’,而,算法没有绝对性在此之前人们一直认为这种态则创门的线性叠加所描述的也是体系的一个可能分类,,不依赖具体使用的计算系统正是这个发现使的量子态对应于量子计算这表示量子计算机可以,,得量子计算的研究开始受到关注年同时表征经典计算机中的许多态使得大规模量子并一一收稿日期

4、光电子技术与信息,行存储和计算成为可能在门中两个输入量子位控制位控制纠,缠若复合系统的一个纯第三个量子位目标位的状态两控制位不随门操作,,态不能写成两个子系统纯态的直积就而改变当两控制位同时为时目标位改变否则保称之为纠缠态这说明一个处于纠缠态的完整量子系持不变表是门的真值表,,统的一些确定态和子系统的确定态并不对应各子系在门的三个输入位中一个位是控制统之间存有关联量子纠缠现象首先被、位,其他两个位是目标位控制位不发生变化,当控,“”,,,和发现是量子力学特有制位为时两目标位的值交换否则保持不的不同于经典物理的最奇特现象变表给出了价门的真值表从物理观点看,

5、计算机是一个物理系统,计算过表门真值表,程是一个物理过程量子计算机是个量子力学系统升量子计算过程就是这个量子力学系统量子态的演化过程由于量子态具有量子叠加和量子纠缠性质,使量子计算有许多不同于经典计算机的新特点首先,量子计算机的输入态和输出态为不正交的叠加态,而对于经典计算机的输人输出不可能是叠加态,只能是经典信号,用量子力学的语言来描述,就是输入态和输出态都是某一力学量的本征态其次,,量子计算中的变换为所有可能的么正变换而经典计,算机内部的每一步变换都将正交态演变为正交态因此,经典计算机中的变换只能对应一类特殊集最后经量子计算机变换后得到的输出态一定要

6、进行测量,才能给出计算结果一次测量的结果只是叠加态中的一个可能态,而不能得到参与并行运算的所有可能态由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩表价真值表充,经典计算是一类特殊的量子计算量子计算最本质升外的特征为量子叠加态和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的这些经典计算同时完成,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,罗罗罗计算量子并行处理大大地提高了量子计算的效率使得它可以完成经典计算机无法完成的工作量子相干性在所有的量子超快速算法中得到本质的利用量子逻辑门,么量子计算是通过一系列么正算子

7、实现的正算子保证了独立性和可逆性对量子位最基本的么正操作就是逻辑门逻辑门的作用和经典计算机一样可以由真值表给出定义了,一个通用量子逻辑门由这个通用逻辑门可以实现任何量子门操作在经典可逆计算中已经证明,最量子计算机的物理实现方案简单的通用逻辑门是三位门三位输入三位输出自年量子计算领域的研究开始以来,大部分,“和门川都可以作为实,门现量子的研究工作都是停留在理论阶段很少有实验突破近计算些年这种研究趋势正在改变,实验和理论的发展为人的通用逻辑门光电子技术与信息致,但是原子核的初始自旋状态往往是随机的测量们寻找量子计算机可能的实现方法提供帮助和指导下面就一些量子

8、计算机的物理可实现方案进行讨论问题来自我们无法检测单个量子位分子的输出核磁共振计