计算机系统结构论文量子计算机

计算机系统结构量子计算机论文量子计算机论文目录1量子计算机的介绍 .21.1 概念起源 .21.2 需求来源 .21.2.1 举例说明 .41.3 预备知识 .71.3.1 态叠加原理 .71.3.2 量子纠缠态 .82.量子计算机的特点 .92.1 经典计算机的运算过程 .92.2 量子计算机的储存 .92.3 量子计算机的逻辑门 .112.3.1 量子逻辑门也是由三种基本逻辑门构成 .112.3.2 量子逻辑门都是可逆的 .122.4 量子计算过程 .132.4.1 量子并行运算 .132.4.2 量子测量：输出结果 .142.4.3 量子纠缠态和相干性 .152.5 量子计算机性能特点小结 .163 量子计算的编码与纠错 .173.1 消相干 .173.2 量子编码与纠错 .173.2.1 量子纠错的困难 .173.2.2 量子纠错码 .184. 量子计算机应用展望 .204.1 前景简介 .204.2 商业化的道路 .234.3 科研道路 .281量子计算机的介绍1.1 概念起源量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。量子计算机（quantum computer）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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。1.2 需求来源现在我们的生活离不开数字计算机。桌面电脑 、笔记本以及智能手机能够制作表格，观看流媒体视频、网络聊天以及 3D 虚拟现实。但是从它们的核心来看，所有的数字计算机都有共性，那就是它们仅仅都在按照特定的算法来进行计算。它们具有十分强大的运算能力（计算机能在一秒内完成几十亿次的运算） 。正是由于计算机的强大的计算能力，我们才能够使用它们来完成一些非常复杂的问题。一个经典计算机的计算过程可以简单的用下图来表示：图片来源 /en/dev-tutorial-intro.html但是尽管经典计算机的计算能力非常强大，但是仍然有一些领域让经典计算机力不从心。比如图像识别，自然语言理解等。尽管近些年计算机科学家们在这些方面做了大量的研究工作，但是目前为止所有的方案都需要巨大的运算量，即使依赖于经典计算机的运算速度也显得力不从心，而且对于能源和空间的消耗也是客观的。基于上面的考量，有必要设计一种新的计算机能够适应这种需要巨量运算任务。而源于可逆计算机研究的量子计算机的概念应运而生。由于量子计算机实现了真正意义上的并行运算和随机计算，摆脱了经典计算机的冯诺依曼结构，所以在某一些领域相比较经典计算机有着无可比拟的优势。但是量子计算机无法取代经典计算机，因为在另外一些领域，量子计算机的表现并不好，甚至计算速度要低于经典计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。因此，相比经典计算机，量子计算机还具有能耗低的优点。但是正如上面所说的，量子计算机的产生的目的并不是要替代经典计算机，而是为了弥补经典计算机在某些领域的不足。1.2.1 举例说明我们来举一个例子，关灯游戏。这个游戏可以告诉我们为什么我们不能在一些领域使用经典计算机来求解。关灯游戏的规则就是找到最佳的一组开关状态，下面是一张描述这个游戏的图示：假设每个开关都有一个数字与之相联。我们称这个数位“偏爱值（bias value） ”。你需要对每个开关选择开或者是关，我们规定开代表 1，关代表-1 。你需要选择每个开关的状态（开/关）来使得每个开关的状态值乘以偏爱值的积的总和最小。hi 代表开关 i 的偏爱值， Si 代表开关 i 的状态值，我们的目标就是使 E 最小显而易见，当偏爱值是负数时我们应该选择开，当偏爱值是正数时我们应该选择关。现在我们来使这个问题更复杂一些。在这些开关中某两个开关之间会有一个附加条件：在这两个开关中新加入一个偏爱值 j，计算过程是将所有的开关的 h*s 的值相加然后再加上所有具有 j 的两个开关的状态值与 j 相乘的总和，使得总结果最小。现在就变得非常复杂了。因为我们影响结果的因子不光是每个开关自身还包括了他的相邻开关。随着开关网络的扩大，这个任务会迅速变得非常复杂。我们所能想到的唯一的解决办法就是穷举法。穷举出所有的可能结果。如果只是两个开关的话，情况非常简单，只有四种情况ON ON, ON OFF, OFF ON 和 OFF OFF。但是如果有更多的开关加入的话，可能的情况会呈指数增长：可以看到，当达到 100 个开关时，情况就已经非常的多了。即使是对于现在的超级计算机，也是一个非常有挑战的任务-需要将所有的可能存储并将它们送到 CPU 运算-这会花费非常多的时间。仅仅 500 个开关，恐怕在你有生之年是看不到结果了。但是量子计算机却特别适合这种穷举算法。凭借着量子力学的理论，量子计算机不仅可以花费极小的空间来存储所有的可能情况，情节也会花费极少的时间来得到所需的结果。1.3 预备知识在详细介绍量子计算技术之前，首先需要具备一些基本的量子力学的知识。了解它们会更好的理解量子计算机的工作原理。1.3.1 态叠加原理态叠加原理是量子力学中的一个基本原理它说明了， 波函数的性质。如果 1如果是体系的一个本征态，对应的本征值为 A1，2 也是体系的一个本征态，对应的本征值为 A2，根据薛定谔方程的线性关系，=C11+C22 也是体系一个可能的存在。在这个状态下对 A 进行测量，测得的 A 值既可能是 A1 也可能是 A2，相应的概率之比为 |C1|2/|C2|2。在这里有一个经典的假设：薛定谔的猫的实验。实验内容是：一只猫被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出 粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态。这虽然违反现实世界的经验，但是却是量子力学中的一个性质。1.3.2 量子纠缠态假设一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子的情况，两个小粒子向相反的两个方向飞开去。假设该粒子有两种可能的自旋，分别叫“左”和“右” ，那么，如果粒子 A 的自旋为“左” ，粒子 B 的自旋便一定是“右” ，以保持总体守恒，反之亦然。我们说，这两个粒子构成了量子纠缠态。量子纠缠态有许多在宏观世界里看起来很不可思议的特点。比如说，上面的两个粒子已经到了相距几万光年的两个地方。这时候如果 A 的自旋变为“右” ，那么同时刻 B 的自旋会立即变为 “左” 。它们之间的信息传递是超距的！这也就是 EPR 佯谬。但