量子超级个人电脑QSC光算机概论

1量子超级个人电脑〔QSPC〕光算机概论。相关分类：电脑教程«上一页1234下一页»g950g950(组长)2007/9/11顶楼举报量子光算机

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蕉量子疫纠缠

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旦隐形三传送

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语三种卫主要赢实验坑方法虫简介

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品2.乡离子副阱方煌法：肆离子跟阱方斗法用浇束缚死在冷辞阱中镰离子酸的超械精细拼结构仙能级健作为辨量子租位，蛙用两询束频葛率相放差很器小的集激光党诱导疫拉曼挡跃迁瓣来控迹制量染子位稳的状蕉态，效调节奥激光多的作帮用时抚间，缸可以惨实现混对单供量子番位态顾的任拔意旋翠转操狡作，然离子鬼通过帐相互固间的姓库伦孔力耦叔合而么成集志体震流动，枯不同缝的振股动模恩式用射不同限的声旺子态馆来表羽示，旗激光线作用疫时与聪离子矿水平糕振动泊方向展有个岁夹角驶，这亏样激斗光的组作用领能同霞时影巩响离击子内录部的睡能级希和外朽部的签集体本振动枕，从圾而使敬两者许耦合煤起来居，通意过离黑子的腊水平烧集体惭声子谅振动顺，量聪子位盏之间娘实现杠了纠梅缠，池离子两阱方田法的绝优点敬是可束以直包接实弟现支"多迹控制杆位非庆"门所(c樱on峰tr魄on点l-奖no飞t)扰操作汇而不鹊必用肢单量饼子位耕门温和被CN馋OT狂门屿去组档合。消但是风由於兼多个旦离子矩规那么蠢排列锐和多效位激喊光寻炕址等亏技术辛上的弃困难坦，很朋难实哈现很定多量竿子位揭，实外验上回做得拨到的辛是利矿用一余个离脚子的电内部委能级视和外瓦部振盾动态沃作为劲两个蛙量子屋为实泰现C榆NO牧T门饥。

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酱三种有主要闸实验使方法炎比拟

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习1.据光腔扛QE泥D方周法：仗优点义为理茄论较皱为成赞熟、卖在量重子通波信领壮域有免较大躁的发轿展；虹缺点喷是量钱子门艺之间喝不易口连接滴、需伞要低目温条拜件实蒸验上音做不驳到很混多量婶子位么。

掌2.猜离子寇阱方脊法：快优点榜为可笛以直吸接实述现c菜on陈tr虽o-钢no驾t门垄；缺证点是元易受享干扰抢、需迅要低械温条臂件;梁多量挎子位弹有困辅难。

努3.销核磁仰共振屑方法拉：优序点为释受干懒扰小富实验闻可在珠室温丰下进糟行；梯对於臂多量迟子位己存在垦理论拼上的梳困难睛。[肢/c初ol专or访][衰/b五]

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庄名词劝解释

丸01集.贝缝尔(默Be庭ll勺)态悉：跳两个我物理颠系统够所处蛛的四吩种方肃式对倍应的梨四种池不同旨的具坑有强替关联箩性质台的量咳子态扔，古可典上羡要想敞做到模这一旅点，愁只存坝在两迅种形温式或飞者两型个系弄统处惩於相垒同的富状态畏或者绢处於稠不同野的状把态。贞然而炊由於站量子反态对猜应的棚概率经幅可刚正可任负，都使得卵可实荐现状扎态的够数目派增加固了一贴倍。

炒02绪.贝稿叶斯收规那么督：红一个腿以两残种不非可区俭分的健途径垃发生斧的事丧件，好欲求素其发胞生的遇概率贼可以宇先分库别考担虑每沫一条粥途径怖的概击率再牛将其璃求和誉。

勇03押.位产元：向二进鹊制码卫的一叼个二犹进制麻数位滴。

个04尊.不拘确定公性原字理：序由於艳不可劫消除秤的随关机性尚进入真量子月物理移而导差致的奇一个诞根本强结果李。不疑确定智性原找理暗衔示著裂不可废能将勒系统粱制备微到一铁个使樱得所贫有可愿能的仙测量屡结果拍都确铜定的徒状态望上。

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研究人员目前正着手做这项技术的将来的用途。这些包括"穿的量小圆点说明激光，光学调制器和量逻辑设备"将作为可行的将来的量子计算机的根底。国家平安代理(NSA)提供资金给这项工程、军队研究室，科学研究的空军办公室和海军研究实验室。适合这那些研究工程被因为邓肯钢和3位高级研究人员以及十位大学生来进行实验。调查研究工作被展开并且分布在不同的场所。圣地亚哥大学处理理论。海军研究实验室处理量子小圆点物理学。并且密西根大学着手做计算局部。大家的共同努力将继续在实际应用里使用的量子小圆点的数量直到被发现成功为止，美国在这项工程提供资金方面大约每年花费800，000美金。2007/9/14被g950g950最后编辑|查看全部g950g950(组长)2007/9/114楼举报光算机〔opticalcomputer〕

利用光线而不用电流的计算器可以每秒处理一兆次运算，关键局部──模拟电晶体的光学设计已经完成。过去四十年来，数位计算器的开展是如此紧密地与电子技术关连在一起，以致于人们认为计算器必然是电子元件组合而成。事实上，计算器用来执行任务的算术及逻辑运算也可用许多其他的方法来达成。自1970年代中期，以镭射光束来代替电流传递信号的可能性日趋厚厚。能够比电子计算器快一千倍是开发这种光算机强而有力的诱因。能够传递两种不同状态的开闭元件〔switch〕是任何数位计算器的根本元件。计算器运算的速度受限制于开闭元件改变状态所需的时间。事实上电子计算器所有的开闭元件都是电晶体，而现在所用的电晶体最快的也无法在快于10-9秒内改变状态。而一个模拟电晶体功用的光学设计却能在10-12秒内改变状态。我们曾开展出实验性质的「光晶体」〔optiualtransistor〕，那是用入射镭射光束的微小改变来决定元件的开或闭。这「光学电晶体」我们称之为「转相器」〔transphasor〕，是利用某些晶体的特殊性质：当光强度增加时折射率会改变。藉着正确地选择晶体及镭射波长，利用折射率的改变，透射光强度会因入射光的微小改变而有巨大改变的元件可以被制造出来。实验性的设计曾到达状态交换的时间为几个10-12秒。光晶体固然可以用来建造原理与目前电子计算器相同但较快速的计算器，而在较远的将来它可能会改变计算器本身的结构。每一个单独的光晶体能够同时做许多个开闭工作，而电子元件一次只能处理一个信号。更有甚者，随着入射光束的逐渐增加，这种晶体的输出可以被转换至更多高阶的状态。相较之下，用在电子计算器的电晶体只有两种输出状态。这种超过两个输出状态之设计的采用，将会导至一个新的计算器逻辑系统的产生。除了光晶体外，建造光算机还需要许多线路元件。在Heriot-Watt大学的实验室，我们曾以试验的形式证明许多需要的元件可制成光学积体线路。这样的积体电线路在被商业化制造之前，尚需克服假设干技术上的困难。可以预见，在很短的时间内，光算机将成为很具吸引力的开展园地。

开闭元件的作用

在一般的应用上，计算器的三种根本功能是算术运算、逻辑运算及资料的存贮。这些全都是由含有两个稳定输出状态的元件所达成。在算术运算中，这两个状态代表二进位系统的「0」和「1」。在判断逻辑的命题时，各代表「真」与「伪」。算术与逻辑运算的结果是存贮在特定的记忆元件中〔记忆元件的状态保存原结果的状态〕。用二进位系统，一计算器用来判断命题真伪，只用三个「逻辑函数」。它们经常被称为「及」函数〔AND〕、「或」函数〔OR〕和「反」函数〔NOT〕。在「及」函数，一个表达所有的局部为真时，表达方为真。在「或」函数，只要表达中任何一个局部为真，表达便为真。在「反」函数中，一个表达的「真假值」被掉换。更复杂的运算例如加减法运算，都能用这三个根本函数建构起来。一个计算器必须具备能以物理形式来代表0与1或真与伪的元件，且这些元件要能够组成执行三个「逻辑函数」的较大零件。这些元件显然要有两个能够容易分辨的输出〔两个状态〕。如果计算器要快，那么状态交换的时间要短。再考虑其他因素，一个最好的开闭元件应是体积最小、最易于制造、且消耗最小功率。第一个实用的电子开闭元件是真空管，慢而且大，产生相当的热量，影响使用寿命。所以用真空管做成的计算器，体积大而计算能力小。1947年创造的电晶体，提供了较小、较快、较有效率的开闭元件。它最简单的形式是三层半导体。最外面两层分别叫射极、集极，中层叫基极。当自基极流入集极的电流有微小改变时，导致射极流入集极电流大的改变。集极的大电流可用以代表1而小电流代表0。与其他电子元件配合，能组成执行「及」、「或」及「反」函数的结构，称为逻辑闸。如果所有的输入都是大电流，「及闸」才输出大电流。只要有一输入是大电流，「或闸」便输出大电流。输入大电流，「反闸」输出小电流；输入小电流，「反闸」输出大电流。

电晶体的极限

半导体「逻辑闸」操作所需时间自10-9～10-6秒，视其大小、材料、设计、状态交换功率而定。理论上最快能在每一秒内做十亿次运算。实际上的速度那么远比这要慢许多。以物理学做根本分析，目前所能到达的最短交换时间，已接近半导体所能到达的极限了。要完成交换作用，电流必须穿越基极。电流通过半导体的速度有着许多限制。减小基极的宽度可以减少交换的时间，但基极能做到多薄是有限的。目前这极限已经到达了，因此交换时间显着的降低，将不会来自电晶体设计上的微小改变，而将来自新的交换技术。一个改变的可能性是以其他的媒体取代电流来携带信号。任何信号所能到达的最高速度是光速，故光或电磁波是最适宜的候选者。我们已利用聚集的镭射光束来操作具有许多电晶体功能的开闭元件。这个设计可在两个明显的输出状态间交换。它们可以做成记忆元件，藉着适当的选择材料及镭射光束，可以组成快速、简单的「逻辑闸」。

干预计

光晶体的起点是精巧而广泛应用的法布立-拍假设干预计〔interferometer〕──由法国物理学家法布立〔C.Fabry〕及拍假设〔A.Perot〕于1896年所创造。最简单的干预计是由两面镜子，隔一距离平行排列，再将能使某特定波长的光能透射的材料置于两镜间的空隙而成。［此一空隙被称为「洞」〔cavity〕］。每一面镜都可使局部光线反射，局部光线透射。现在暂且不管「洞」的材料，而考虑一束光撞击到干预计第一面镜时的情形。我们假设此镜反射90％的入射光，而让10％的入射光通过。〔这样的比例相当接近于我们所真正使用的。〕现在透射过的局部以原来1/10的强度进入干预计内部，称为「前进光束」，进行至后一面镜子。后镜与前镜的性质是一样的。在后镜90％的「前进光束」被反射回「洞」中，成为「反转光束」，有10％透射到干预器外〔见图一〕。

由于「前进光束」是原入射光束的1/10，故透射到后镜外的光强度是原入射光束的1/100。这「反转光束」又回到前镜，再被分成反射及透射光束，余留在洞中的光一直不断的反射、透射着，越来越微弱，直到所有的光都逸出「洞」外为止［见图二(a)］。

洞中的干预

如果上面所提的就是所有有关干预计的事实，那么干预计对光学计算器并无所助益，它的透射强度只能由改变镜片的性质来改变。但事实上，「前进光束」及「反转光束」并不能像(图二a)所画的一般，彼此能清楚的分开。在真正的干预计中，它们彼此互相作用，影响「洞」中的光强度，也影响透射率。如果入射光垂直进入前镜，那么光将不会折曲，所有的光将在同一路径上。「洞」中有许多被前、后镜反射回「洞」的光束，现在我们只考虑其中两条：「前进光束」及「反转光束」的交互作用。干预的结果由彼此的相位差来决定。波峰对波峰、波谷对波谷的重叠是建设性干预，波峰对波谷的重叠是破坏性干预，自然在那两极端之间的相位差也是可能的。合成光波在洞中任一点的振幅是所有成分光波在该点振幅的总和。干预对透射的影响是林林总总而非单纯的。如果是完全破坏性干预，洞中的光强度将为零(见图二b)。如果是完全建设性干预，那么洞中光强度将十倍于入射光。既然后镜透射1/10的光，在「完全建设性干预」中透射光强度将等于入射光强度(见图二c)。

折射率的效应

相位差及透射率可由调整波长及「洞」的长度来改变，但两种方法对「光学电晶体」均无甚价值。最重要的是，相位差也可用改变「洞」中材料的光学性质来改变，这是到目前为止我们一直没提到的。折射现象是大家所熟悉的。折射起因于光在不同介质中有不同速率，折射率就是光在真空中速率对光在介质中速率的比值。在介质中，随着波长变短而速度变慢，频率并不改变。藉着材料折射率的改变，而改变波长，我们可改变洞中光束的相位差。适中选择材料折射率，「洞」中光束可以形成建设性或破坏性干预。在分析光学系统时，有一重要的量称为「光学路径长度」〔opticalpathlength〕或简称「光学长度」〔opticallength〕。在干预计的「洞」中，它的「光学长度」是实际长度乘上材料的析射率。当「洞」的光学长度等于入射光半波长的整数倍时，将会有完全建设性干预。当然有许多可能的「光学长度」可以产生完全建设性干预。当光学长度为两个连续半波长的整数倍的中间值时，会有完全破坏性干预，于是透射强度随着「光学长度」而改变。透射率与「光学长度」的关系可由一个称为Airyfunction的函数来描述〔见图三〕

这在「光学电晶体」建造中相当重要。在我们建造的法布立-拍假设仪器中，在每一个对应于整数倍半波长的点都含有一个陡直的顶峰。在两顶峰间的函数值相当低，且变化非常缓慢。因此，直到「光学长度」达某一临界值时，透射强度才急遽地增加。我们可以改变「洞」中材料来改变透射率，当然这对光学开闭元件的状态交换来讲是个笨拙的方法。然而在十九世纪，这被认为是改变折射率的唯一方法。马克士威在关于电磁辐射的着作中，假定折射现象及其他光与物质的交互作用不受辐射强度的影响。如果这是真的话，那么干预计的输出会与入射强度成正比。在一般的情形下，物质会呈现这样的性质，称为「线性折射」。

非线性折射

当镭射开展出来之后，发现并非所有的物质都是「线性折射」。在「洞」中使用非线性折射的物质，折射率可随着入射光强度而改变。这现象值得进一步思考。想像有一个固定长度的「洞」，装以非线性折射材料，以一束可以调整强度的镭射光照射。起初镭射光强度所造成的折射率在Airy函数两个顶峰中间，这时透射率非常低。镭射光强度渐渐增加那么折射率及「光学长度」渐渐改变，透射率也慢慢增加〔见图四〕。

到某一点，折射率和光强度在「洞」形成正反响，也就是他们互相增强。变化中的折射率使自开始时的完全破坏性干预〔在两顶峰中间〕渐渐移向建设性干预。「洞」中增强的光束加上自外面进来同时也在增强中的光束，加速改变折射率，加速改变的折射率更加速「洞」中的光趋向建设性干预，加强的光强度又更怏地改变折射率，如此循环不已。在入射光强度达某一临界值时，「洞」中的反响作用开始显着，而Airy函数图上的顶峰很快的就到达，透射率很快地变到最高，即入射强度与透射强度比是1。当入射光强度自顶峰稍微地降低时，透射强度并没有循原来的路径快速地降低，理由是留在「洞」中的光强度又折射率还足够维持适当的「光学长度」以保持最大透射率。当入射光强度再降低，透射率只是稍微的减小；然而到达某一强度之下时，光强度及折射率开始显着地相互消减。入射光强度再一点点微小的减少，就足以使透射急遽地减少。这样的一个循环图形叫「迟滞曲线」〔hysteresiscycle〕。一个呈现迟滞曲线的光学元件称为「光学双稳元件」〔opticalbistabledevices〕。这是因为它有两个在入射光强度改变时透射光强度改变非常小的区域。应该注意的是，在双稳元件中，入射光强度有对应于两个不同透射率，真正的透射率决定于该「洞」以前的经历。

光学双稳元件

光学双稳性质是由索克〔A.Szoke〕及他的同事于1969年于麻省理工学院所预测，而由贝尔实验室的吉布士〔H.M.Gibbs〕等人于1976年首先观察到。从那时候起，光学双稳元件成为许多实验室工作的主题。在制造光学双稳元件中，选择具有非线性折射的材料是非常重要的。在我们的工作中，曾用具有高度非线性反响的化合物半导体锑化铟。像大局部的半导体一样，锑化铟对可见光是不透明的，但对某些波长的红外线是「透明」的。我们用的镭射光源是一氧化碳镭射，波长位于红外线的窄小范围里面，它的波长可以调整。我们是用一小块长方体锑化铟晶体做为干预计。晶体的每一边都只有几毫米长，也曾经从比这小得多的晶体做出干预计。在某些情形下，晶体的前后均覆上一层反射物质做为镜子，但覆盖反射物质并非必要，因晶体光滑的面就能做为镜子。

非线性折射的解释

在原子尺度中有许多技巧可用以改变半导体的折射率。锑化铟的机构复杂，且在研究之中。以下是一些已经知道的梗概。电磁辐射与固体的交互作用是藉着电子为媒介。在可见光及红外线范围，参与的主要是最外层电子。一个孤立的原子，它的电子能阶是清楚而确定的。但在固体中，由于原子的堆积，会形成较宽的「容许能带」，「容许能带」与「容许能带」间由「禁止能带」隔开，电子是不能具有禁止能带能量的。每一「容许能带」是由许多的能阶组成。如果每个「容许能带J里的每个能阶都被填满，那么在那能带里面的每一个电子都会被限制于原子附近。要使电子移动，需要额外的能量，但在能带中没有空的能阶，带有额外能量的电子也无法移动。如果一个能带只有局部填满，那么一个得到额外能量的电子就能移动到能带中稍高的能阶。金属有局部填满的能带。绝缘体的能带中，有电子填充而且能量最高的能带──价带〔valenceband〕，是完全被填满的。它被一宽大的能隙〔energygap〕把另一更高的能带──导带〔conductionband〕与价带隔开。在绝缘体中，一个电子只有吸收足够的能量以越过宽大的能隙进入导带才有可能自由地移动。然而，这是一件不太可能的事情。半导体与绝缘体一样，有一个全满的价带及全空的导带，但两带的能隙却少得多。有许多的方法可使半导体获得小额能量，自价带的较高能阶进入导带的较低能阶。当电子自价带进入导带，在价带会留下一个电洞，它类似于电子，但为带有相等于正电荷的