量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

　　摘要：量子計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力使得量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。該文簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，最后預(yù)測(cè)了量子計(jì)算及量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用方向。

　　關(guān)鍵詞：量子計(jì)算;量子計(jì)算機(jī);量子算法;量子信息處理

　　1、引言

　　在人類剛剛跨入21山_紀(jì)的時(shí)刻，世界科技的重大突破之一就是量子計(jì)算機(jī)的誕生。德國(guó)科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室研制成功5個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，而美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行7個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)。它預(yù)示著人類的信息處理技術(shù)將會(huì)再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計(jì)算機(jī)以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。

　　2、子計(jì)算的物理背景

　　任何計(jì)算裝置都是一個(gè)物理系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的裝置。量子計(jì)算足以量子計(jì)算目L為背景的計(jì)算。是在量了力。4個(gè)公設(shè)(postulate)下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認(rèn)為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動(dòng)性的物理客體(例如光子)。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量(如軌道能級(jí))的取值的離散性。其離散值之問(wèn)的差值(未必為定值)定義為量子。按照量子力學(xué)原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級(jí)。而某個(gè)物理客體(如電子)在另一個(gè)客體(姻原子棱)的離散能級(jí)之間躍遷(transition。粒子在不同能量級(jí)分布中的能級(jí)轉(zhuǎn)移過(guò)程)時(shí)將會(huì)吸收或發(fā)出另一種物理客體(如光子)，該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問(wèn)產(chǎn)生了一個(gè)相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁;愛(ài)因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對(duì)市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨(dú)特的性質(zhì)為量了計(jì)算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。

　　3、量子計(jì)算機(jī)的特征

　　量子計(jì)算機(jī)，首先是能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開(kāi)關(guān)電路和信息儲(chǔ)存形式，以量子動(dòng)力學(xué)演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計(jì)算，是指組成計(jì)算機(jī)硬件的各種元件達(dá)到原子級(jí)尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計(jì)算機(jī)是一物理系統(tǒng)，它能存儲(chǔ)和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息。量子計(jì)算機(jī)遵從的基本原理是量子力學(xué)原理：量子力學(xué)變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學(xué)變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲(chǔ)、寫入、讀出信息，信息的一個(gè)量子位是一個(gè)二能級(jí)(或二態(tài))系統(tǒng)，所以一個(gè)量子位可用一自旋為1/2的粒子來(lái)表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0;或者用一光子的兩個(gè)極化方向來(lái)表示0和1;或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說(shuō)在量子計(jì)算機(jī)中，量子信息是存儲(chǔ)在單個(gè)的自旋’、光子或原子上的。對(duì)光子來(lái)說(shuō)，可以利用Kerr非線性作用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出;對(duì)自旋來(lái)說(shuō)，則是把電子(或核)置于磁場(chǎng)中，通過(guò)磁共振技術(shù)來(lái)獲取量子信息的讀出、寫入;而寫入和讀出一個(gè)原子存儲(chǔ)的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來(lái)完成的。量子計(jì)算機(jī)使用兩個(gè)量子寄存器，第一個(gè)為輸入寄存器，第二個(gè)為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過(guò)量子邏輯門的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。單量子位算符實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個(gè)是控制位，它確定在什么情況下目標(biāo)位才發(fā)生改變;另一個(gè)是目標(biāo)位，它確定目標(biāo)位如何改變;翻轉(zhuǎn)或相位移動(dòng)。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說(shuō)清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行交換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：

　　a)其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

　　b)經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒(méi)有這個(gè)性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換(或計(jì)算)只對(duì)應(yīng)一類特殊集。

　　相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個(gè)限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來(lái)描述，如二能級(jí)系統(tǒng)(稱為量子比特)，量子計(jì)算機(jī)的變換(即量子計(jì)算)包括所有可能的幺正變換。因此量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)為：

　　a)量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交;

　　b)量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。由此可見(jiàn)，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來(lái)，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，量子并行處理大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率，使得其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的工作，這是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性之一。

　　4、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

　　量子計(jì)算機(jī)驚人的運(yùn)算能使其能夠應(yīng)用于電子、航空、航人、人文、地質(zhì)、生物、材料等幾乎各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，尤其是信息領(lǐng)域更是迫切需要量子計(jì)算機(jī)來(lái)完成大量數(shù)據(jù)處理的工作。信息技術(shù)與量子計(jì)算必然走向結(jié)合，形成新興的量子信息處理技術(shù)。目前，在信息技術(shù)領(lǐng)域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術(shù)，由于運(yùn)算量龐大，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差，不能滿足實(shí)際需要，因此制約了信息技術(shù)的發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)自然成為繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算速度提高，進(jìn)而引導(dǎo)各個(gè)學(xué)科全面進(jìn)步的有效途徑之一。在目前量子計(jì)算機(jī)還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領(lǐng)域中的主要發(fā)展方向，其研究重點(diǎn)有以下三個(gè)方面;

　　(1)深刻領(lǐng)悟現(xiàn)有量子算法的木質(zhì)，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經(jīng)典算法中的相應(yīng)部分，以便盡可能地減少現(xiàn)有算法的運(yùn)算量;

　　(2)以現(xiàn)有的量子算法為基礎(chǔ)，著手研究新型的應(yīng)用面更廣的信息處理量子算法;

　　(3)利用現(xiàn)有的計(jì)算條件，盡量模擬量子計(jì)算機(jī)的真實(shí)運(yùn)算環(huán)境，用來(lái)驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)新的算法。

　　5、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景

　　目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問(wèn)題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以致在宇宙時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成。量子計(jì)算研究的一個(gè)重要方向就是致力于這類問(wèn)題的量子算法研究。量子計(jì)算機(jī)首先可用于因子分解。因子分解對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言是難解問(wèn)題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計(jì)算機(jī)能夠以多項(xiàng)式時(shí)間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)還可用于數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)Ⅳ的平方根量級(jí)加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一種通過(guò)二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識(shí)別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會(huì)損失一部分原始信息。

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