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年第期（总第期）桂林航天工业高等专科学校学报 计算机技术及应用量子计算机的研究与应用综述莫露洁（湛江教育学院计算机科学系广东湛江）摘要文章介绍了量子计算的原理，指出经典计算机和量子计算机的异同；简述了量子计算和量子信息技术在并行计算、保密通信等方面的重要应用；最后展望了其未来发展趋势。关键词量子计算机；量子位；并行计算中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一一在信息时代，人类对信息需求的增加，促进人们不断地致力于信息技术的发展。创建新一代高性能的、安全的计算工具和通信技术是量子论和信息论结合的产物。量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限。随着计算机科学和物理学问的跨学科研究的突飞猛进，量子计算的理论和实验研究蓬勃发展起来。近年的研究进展表明，应用量子信息的产生、载荷、传播和处理，可能构造高性能的量子计算机。量子计算机已成为当今科研方面研究的热题。量子计算机的基本原理量子计算机顾名思义就是实现量子计算的机器。它是一类遵循物理系统的量子力学性质、规律进行高速数学和逻辑计算、存储及处理量子信息的物理设备。当某个设备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，而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。迄今为止，正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经典物理学为信息处理的理论基础，称为传统计算机或经典计算机。在计算机的器件尺度方面，经典计算机要达到体积小、容量大和速度快的要求受到限制。而量子计算机遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。它以原子量子态作为记忆单元、开关电路和信息储存形式，组成量子计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的。对计算问题并行处理。量子计算机比起经典计算机有着速度上的绝对优势。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态迭加原理和量子相干性。量子计算机的存储原理从物理的观点看，计算机是一个物理系统，计算则是这个系统演化的物理过程。经典信息系统采用二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由或表示，称为一个位或比特（）。作为信息单元。宏观上电子计算用电位的高低来表示或以进行存储和计算。例如用一个电容器极板之间的电压表示信息比特，有电荷代表，无电荷代表。而在量子信息系统中，可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位与经典计算机相区别，称之为量子位或量子比特（），来表示信息单元。比如光子的两个偏振方向十）和一，磁场中电子自旋或者核自旋向上和向下的两个方向，原子中电子的两个能态等。量子计算机进行量子计算的过程就是这些量子力学系统的量子态的演化过程。在经典计算机中，每一个数据位要么是，要么是，二者必取其一。利用和构成的比特串编码分别表征不同的信息。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是或者。也可以同时是和。对量子位操作一次，相当于对经典位操作两次。这是量子计算的一个优点。为了达到量子计算的目的。量子比特分别用两个量子态及本征态和来表示然后与经典位和对应进行编码。量子比特可以存在这样的状态既非也非，它能以两个逻辑态的叠加态的形式存在，即哪一， 和口为复数。在量子计算机中。我们无法准确测定量子比特处于哪一个量子态，也就是无法确定和的准确值。量子力学告诉我们。只能获得这个量子比特越来越多的信息并且这个量子比特的状态可以介于 ）和之间的任何量子态上，但无法完全确定其状态。即量子计算包括所有可能的幺正变换。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；作者简介：莫露洁（一）。女，广西人。广东湛江教育学院计算机系教师，重庆大学计算机专业硕士研究生。研究方向：网络与智能信息处理。年第期（总第期）桂林航天工业高等专科学校学报 莫露洁文（）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。从另一个角度讲，在经典计算机里，一个二进制位（）只能存储一个数据，个二进制位只能存储个一位进制数或者个位二进制数；而在量子计算机里，一个量子位（）可以存储两个数据，个量子位可以同时存储个数据，从而大大提高了存储能力。量子逻辑门计算机由存储器和逻辑门网络组成，但是量子计算机的存储内容和逻辑门与经典计算机却有所不同。正如经典计算机建立在通用图灵机基础之上，量子计算机亦可建立在量子图灵机基础上。理论上已证明，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来构成量子计算机。量子逻辑门就是对量子比特的最基本的幺正操作。经典计算机中的基本逻辑门是与门和非门。对于量子计算机，由量子力学可知，所有操作必需是可逆的，因此基本逻辑门也必需是可逆的，但是与门是不可逆的输出和输入不一一对应。如果输出是。就无法确定输入是（，）。（。）还是（，）。同样，或门、异或门、与非门和或非门也是不可逆的。所以在量子计算机中，与门、或门、异或门、与非门和或非门都不能用。利用控制非门和一位旋转操作，可以组成所有的可逆操作，实现各种各样的运算。量子逻辑门按其输入比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等因为量子逻辑门是可逆的，所以其输入和输出比特数相等。量子逻辑门对输入比特进行一个确定的幺正变换。得到输出比特。所以幺正性是量子逻辑门的唯一要求，任何满足幺正性的矩阵都能表征一个量子逻辑门。最早考虑了用量子逻辑门来构造计算机的问题，他发现，几乎所有的三比特量子逻辑门都是通用逻辑门。通用逻辑门的含义是指，通过该逻辑门的级联，可以以任意精度逼近任何一个幺正操作。后来不少人发展了的结果，最后和各自独立地证明，几乎所有的二比特量子逻辑门都是通用的。而且，由于所有的量子逻辑门都是可逆操作不伴随信息的擦除（输入信息的丢失），在理论上也就不存在热耗散的极限，从而杜绝了经典计算机从根本上就无法解决的热耗散严重影响器件正常功能的问题。量子并行计算与经典计算机相比量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。我们已经知道。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。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。量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，例如一个很大的自然数的因子分解。量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。因此。用量子态代替经典态的量子并行计算可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。量子计算机的物理实现量子计算机的构成要涉及量子位、量子逻辑门、量子导线、量子密码等诸多方面的理论和技术问题，同时要涉及到态叠加原理、二能级系统（或称二态系统）、缠绕态、密度矩阵、信息熵等许多量子力学的基本概念。因此研究量子计算机存在许多显而易见的问题。在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。首先是退相干问题。量子计算机和经典机的最本质区别是前者利用了量子相干性实现量子并行运算，而处于叠加态或缠绕态的量子系统，会因不可避免的噪声而退相干，使正常的相干演化遭受破坏，计算出错。因而如何纠错也是量子计算机的一个重大研究课题。量子计算的研究大大简化了量子计算机的物理实现。有了量子逻辑门和存储信息的量子位就可以建造量子计算机了。由于两个量子位问的控制转动就足以构造出任意复杂的量子计算网络，量子计算机最基本的逻辑部件就是受控的两个量子位物理系统，使它们之间产生的相互作用能够根据一个位的状态条件对另一个位实现幺正演化。已经提出的这样的物理系统有腔量子电动力学、半导体中的量子点、光子品格、多路脉冲磁共振及超冷离子等方案。实现量子计算的关键是实现受控非门完成量子位之间的逻辑操作，后两种方案有较强的可行性。年。日本日立公司开发成功一种量子组件“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动，具有体积小。功耗低的特点，比目前功耗最小的晶体管低约倍。在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管，使集成电路的集成度大大提高。年，美国的科学家已建构了位的核磁共振（）量子计算机。的实验把原子变为离子，并使用离子的两个内部自转状态作为一个，然后使用微波脉冲作为地址。这种通过使用核磁共振技术测量和控制单原子自旋建立的量子计算机，通过改变原子能级使该原子在可控制的方式下和其它原子互相影响。利用无线电波的脉冲使计算机开始计算处理。年月，物性科学基础研究所试制出最有希望成为量子计算机基本组件的“超导磁束量子位”，在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时组件的工作频率也成功地提高到了原来的倍倍。与其它基本单元相比超导磁束量子位具有量子状态容易持续保持、易于集成等优势。这样一来，就有望实现利用多个组件年第期（总第期）桂林航天工业高等专科学校学报 莫露洁文同时处理多项信息的量子纠缠，进而实现构成与或等基本电路的控制非门。此次用于比特控制的是能量比光更低的微波，但仍能很好地控制能量跃迁的幅度，因此也为光控制的应用开辟了道路。即将光通信与此次开发的单元组合起来。如通过光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。目前，实验物理学家正在寻找更有效的制备途径以克服消相干并实现逻辑门的级联。理论上虽然已提出各种量子纠错码，但在实验上如何利用量子编码来有效地克服消相干，还是一个富于挑战性的问题。量子计算机的应用前景量子计算机的研究为信息技术的发展开辟了新的途径。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。如前所述。与经典计算机相比，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统这项工作也是经典计算机无法胜任的。目前，研究人员正在加快步伐制造量子计算机。如果一台实际的量子计算机研制成功并投入应用，计算机的应用得到全新的改变。首先，原子改变能量状态极快比现在最快的计算机处理器（）都要快得多。其次。考虑到问题的类型，每个能代替一个完备的处理器这意味着个钡离子能代替一个有个处理器的计算机。另一方面，大规模的加密术是量子计算的很好思路，另外，大规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。业已证明，量子计算机可以攻破现在广泛使用的公开密钥体系，量子密码原则上可提供不可窃听、不可破译的保密通信，量子通信网络具有安全、多端计算等优点预计量子信息技术在本世纪将发挥重要作用。展望未来量子计算机的技术研究方兴未艾。纵观其发展过程，量子计算机研究中最突出的特点是物理学的原理和计算机科学的交融和相互促进。计算机不再是一个抽象的数学模型，物理原理对计算机计算能力和效率的限制愈来愈引起人们的重视。权威科学家认为目前还没有真正意义上的量子计算机问世。虽然量子计算机从某种程度上来说只是我们的设想，但是量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。科学家们正在逐渐克服障碍从而把量子计算机推进到一个合适的地位，使得量子计算机能够成为现存最快的计算机器。错误更正是一项令人欣慰的成就，它的出现使我们能够利用现有工具建立一台足够强大的量子计算机来抵挡脱散的影响。另一方面，量子硬件虽已形成领域，但是已完成的工作却暗示着在我们能够检验现已提出的量子运算法则之前还有一段路要走。然而，量子计算机将会尽快作为超级计算设备出现，可能未来的某一天，你会发现现代的数字计算机因为过时而被丢进了历史的垃圾堆。量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。总体来讲，实现量子计算，已经不存在原则性的困难。按照现在的发展速度，可以预计在不久的将来。量子通信和量子计算机在技术上将出现实用化前景。虽然道路艰难而曲折，但一定会成为现实。参考文献夏培肃量子计算计算机研究与发展（）王勇，谭新莲，刘冰量子计算机与经典计算机创新科技，（）陈洪光，沈振康量子计算及量子计算机光电子技术与信息，（）周熠，高峰量子计算机研究进展衡阳师范学院学报，（）王士元量子计算改变未来软件世界，（）昊楠，宋方敏量子计算与量子计算机计算机科学与计算机探索，（）（责任编辑李卫华）量子计算机的研究与应用综述作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：参考文献(6条)莫露洁，MO Lu-jie湛江教育学院计算机科学系,广东,湛江,524037桂林航天工业高等专科学校学报JOURNAL OF GUILIN COLLEGE OF AEROSPACE TECHNOLOGY2008，13(1)0次1.夏培肃 量子计算期刊论文-计算机研究与发展 2001(10)2.王勇.谭新莲.刘冰 量子计算机与经典计算机 2002(05)3.陈洪光.沈振康 量子计算及量子计算机期刊论文-光电子技术与信息 2003(02)4.周熠.高峰 量子计算机研究进展期刊论文-衡阳师范学院学报 2006(06)5.王士元 量子计算改变未来 2006(21)6.吴楠.宋方敏 量子计算与量子计算机期刊论文-计算机科学与计算机探索 2007(01)相似文献(10条)1.会议论文 袁玉珍 量子计算机和经典计算机的分析与比较 2001 分析、对比了经典计算机和量子计算机的异同,讨论了量子计算机的核心与发展趋势,指出经典计算机和量子计算机的结合将是计算机发展的最佳模式.2.学位论文 牛旭文 离子阱中的量子计算及改进 2005 量子计算机是一门新兴的学科，它是量子力学和信息处理相结合的产物。当前，在半导体电子计算机领域，由于集成电路中晶体管的设计尺寸将要接近极限水平，是的电子计算机的运算速度不能像以往那样继续提高，需要寻找新的技术来代替它。这也为量子计算机的发展提供了机会，因为它的数据处理能力非常大，可以解决很多复杂的计算。量子计算机的构建需要依赖两个方面，量子位和逻辑门. 量子计算的实现有很多方式，离子阱量子计算便是其中之一。首先，把离子放入离子阱中，进行激光冷却和边带冷却，使离子处于能量非常低的基态上，通过调制，得到了离子阱中的量子位。通过计算，得到了对量子位进行操作的逻辑门。 把Be离子及其它一些离子放入离子阱中进行分析，可以得到不同的结果。由此可看出不同离子的计算速度是不同的。离子阱量子实验中有很多干扰因素，外来热量、电磁杂波离子阱中的残余空气分子都可能会影响实验。 就目前来看，搭建超过10位的离子阱量子计算机是很困难的。为提高运算能力，把数个低位的离子阱量子计算机用量子信息通道联合起来进行数据处理，将有利于提高量子计算机的计算能力。除离子阱外，还有别的量子计算模型。为提高量子计算能力，也需要寻找别的更好的量子计算模型。 电子计算机速度快，但数据处理少。量子计算机速度慢，但却能同时处理大量的数据。如果能把两者结合起来，将会促进量子计算机的发展。在这方面，还需要深入的研究。3.会议论文 袁玉珍.邓尚民 量子并行运算与量子计算机的发展 2001 分析、对比了经典计算机和量子计算机的异同,指出量子并行运算是量子计算机的最大优势,经典计算机和量子计算机的结合将是计算机发展的最佳模式.4.学位论文 常加峰 量子点与量子位构造 2003 随着科学技术的发展,特别是量子算法、量子纠错的出现,量子信息和量子计算机成为理论和实验工作者的研究热点.与经典计算机相比,量子计算机具有强大的计算能力,能够完成一些经典计算机无法有效完成的工作.制造实用量子计算机的关键问题是构造量子位以及对量子位进行量子逻辑操作.目前还不能制造出实用的量子计算机,科学家提出很多量子计算机模型,主要分成固体和非固体量子计算机.主要包括离子阱、核磁共振、量子电动力学腔、约瑟夫结和半导体量子点.在这片论文里,我们将讨论利用透镜型量子点构造量子位.首先研究了垂直磁场下透镜型量子点(GaAs/Inl-xGaxAs)掺入类氢杂质后基态能和结合能,然后讨论了如何利用量子点中杂质核自旋构造量子位.利用有效质量近似、变分法,研究了垂直磁场下透镜型量子点(GaAs/Inl-xGaxAs)掺入类氢杂质后基态以和结合能.我们发现:(1)当球型量子点没有加垂直磁场的时候,基态能仅与杂质的偏离距离有关,当加上垂直磁场后,杂质水平和垂直偏离相同距离后,基态能差别不大,当偏离距离增加时,基态能增加.(2)对于透镜型量子点,由于水平方向和垂直方向束缚势不对称,电子基态能不仅与杂质的偏离距离有关,还与杂质偏离方向有关.我们计算了杂质对电子波函数的影响,结果表明对于强磁场下的强束缚势量子点,杂质对于电子波函数的影响可以忽略.利用强束缚量子点模型,忽略杂质对于电子波函数的影响,我们还讨论了如何利用核自旋构造量子位.我们计算了垂直耦合量子点中电子和核子的超精细相互作用.我们还计算了在外加场,特别是垂直磁场和水平磁场作用下,电子交换频率、核子交换频率.结果表明我们可以利用外场控制电子和核子超精细相互作用.5.学位论文 严晓波 由各向异性海森伯自旋环链组成的量子位及其一位通用量子逻辑门 2006 量子状态的变化可以用量子计算的语言来描述。类似于经典计算机是由包含连线和逻辑门的线路建造的，量子计算机是由包含连线和基本量子门排列起来，形成的处理量子信息的量子线路建造的。 量子门包括单量子比特门和多量子比特门，量子门中最重要的就是受控非门和单量子比特门，因为任意的多量子比特门都可由受控非门和单量子比特门复合而成。现在有一些实现量子门的方案，比如简单谐振子、腔量子电动力学、离子阱、分子核磁共振、量子点及某些其他物理系统。 本文研究了各向异性耦合的三粒子海森伯自旋环链团簇在随时间变化的磁场中的运动。该系统的哈密顿量具有SU(2)代数结构。用代数动力学方法对此系统进行求解，得到了严格的解析解。基于严格解，可以构造一位量子逻辑门。通过调节磁场强度和频率，可以控制该量子逻辑门，实现一位量子逻辑门的任何操作。并且可以实现标准的一位通用量子逻辑门。6.期刊论文 左伟明.潘留仙 量子计算机 -常德师范学院学报2003,15(2) 对量子计算机的原理进行了较为系统的阐述.7.学位论文 姚淅伟 子空间量子计算的核磁共振实验研究 2008 本文的内容是关于核磁共振量子计算。量子计算是量子力学和计算机信息科学之间的新兴交叉学科，近20年来得到了快速的发展。与传统的计算机相比，基于量子力学理论的量子计算机呈现出新的特性及随之而来的优势。 随着计算机处理器的微型化趋势，芯片中的逻辑门尺寸正在接近原子尺寸，空间尺度越小，量子效应越明显。目前的理论和实验都已经显示，量子效应能被控制利用并带来通讯和计算的新模式，在某些情况下比经典情形更具有优势信息通过物理的方法储存、传输和处理，因此，信息的产生、处理和提取实际上是一个物理的过程，信息的研究应该和相关过程的物理规律相联系。信息作为物理中一个基本概念的重要意义正在被发掘，量子信息和计算的理论把这种探索置于坚实的基础之上，并引出一些关于自然世界深刻的思考，推动产生出令人激动的自然新图景。量子密码术，量子隐形传态，量子纠错，量子计算等应用的共同点是都把量子态的叠加和纠缠等量子特性作为信息处理的基础。 量子算法的出现说明了建造量子计算机的实际意义，与经典计算机相比，处理量子信息的量子计算机能更有效地计算一些有重要意义的特殊问题。目前研究者们已经使用线性离子阱，光学系统，液体核磁共振等方法建造了少量子位数的演示性量子计算机。由于要操作和控制的量子体系在实验环境中的脆弱性，使得建造更多量子位的量子计算机非常困难。从现有的实验情况看，液体核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)技术是目前最成功的量子信息处理手段之一，它为量子信息的研究提供了一个有效的测试平台。该领域研究过程中积累的丰富量子相干控制技术和研究成果，不仅为下一代的量子信息处理平台的发展提供可借鉴的经验，同时也增进了人们对量子信息科学的理解。 在丰富的量子信息研究内容中，有一类研究如何利用大的量子系统中包含的维数较低的子空间进行量子信息处理的问题。这类嵌入式的子空间量子信息处理方式对研究核磁共振Berry相位、容错避错量子计算、无噪声量子信息存储以及简化量子过程重构等课题都是很有意义的。本文的工作主要围绕子空间量子计算相关内容开展，包括以下具体内容： 利用液体核磁共振实现子空间量子计算。在实验中以C13标记丙氨酸的三个碳核自旋作为量子位，制备出碳自旋标记的羧基碳、甲基碳两量子位子空问等效纯态，随后在该子空间里实现了Deutsch-Jozsa量子算法。实验中使用量子态重构方法重构了所制备的两量子位子空间等效纯态所在的整个体系的密度矩阵，并测量了量子态保真度，结果表明实验成功制备出子空间等效纯态。子空间内进行的Deutsch-Jozsa算法实验的结果也与理论预划很好地吻合，说明该子空间算法实验执行成功。 使用强调制脉冲方法制备子空间等效纯态。使用计算机数值搜索方法优化参数获得强调制脉冲，使量子门操作在保持选择性的情况下操作时间明显减少，因此减少了在环境干扰下系统的弛豫和量子退相干对量子门的影响。实验同时制备出2个两量子位子空间有效纯态，由实验重构出的核自旋量子系统状态与理论预期吻合。强调制脉冲门操作脉冲不仅削弱了自旋系统在内部哈密顿量作用下的明显演化，而且避免施加多个低功率脉冲在不同核自旋时引起的偏共振，实验结束时不需额外的校正。当核磁共振量子位数日增加时，系统同核自旋数目和门操作脉冲数目会随之增加，强调制脉冲能有效地保证量子门执行准确度. 在核自旋量子系统中实现两量子位子空间量子过程测量重构。量子过程重构由演化过程的一系列特定初、末态表征开放量子系统的未知动力学过程。通过它可给出量子门保真度，以便于实际量子计算中进行误差分析和相应操控。同无辅助位方法相比，具有标记位的子空间量子过程重构以付出适当的辅助量子位资源为代价，显著地缩减了试验输入的次数。对量子过程的快速准确的跟踪测量有助于及时了解量子调控的执行情况，这具有重要意义。实验中使用溶于重水的C13标记丙氨酸样品，以三个C13核自旋作为三个量子位，其中一个作为辅助位来标记另外两个量子位组成的予系统的量子态演化。考虑所用样品体系中羧基碳和甲基碳的核自旋J偶合强度很弱，在标记量子位和输入量子态选择合理，避免实验脉冲序列中使用最弱的J偶合演化等要求下，设计出初始输入态集合及相应脉冲序列操作的完整实验方案。实验执行结果与理论计算符合，完成对两量子位子空间内CNOT量子门的测量重构。 对固体自旋填充富勒烯置子