量子计算机运算速度

第三节　量子计算机

量子计算机是量子信息技术的一个重要方面，也是当今最前沿的研究课题之一。然而，关于量子计算机，似乎至今也没有一个明确的定义。一种理解是，“用量子芯片做成的能完成传统计算机工作任务的机器”；另一种说法则为，“利用一些亚原子粒子（例如电子）处于量子状态时的特异性质而实现电子计算机功能的机器”。当然，有一件事是公认的，即量子计算机是以量子物理学为基础的、具有强大计算功能的计算机。

一、量子计算机的提出

量子计算机的概念，早先由范曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完整的模拟所需的运算时间变得相当长。范曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念就此诞生。

在20世纪80年代，量子计算机多处于理论推导状态。1994年，肖尔提出了量子素因子分解算法，因其可以破解通行于银行及网络等的RSA加密算法，量子计算机变成了热门话题。

量子计算机

二、量子计算机的工作原理

普通的电子计算机在0和1的二进制系统上运行，其信息量的最小单位称为“比特”。但量子计算机要更为强大。它们可以在量子比特上运算，可以计算0和1之间的数值。假设一个放置在磁场中的原子，像陀螺一样旋转。常识告诉我们，原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。不光原子，每一种物体都能以所有不可思议的状态的总和来描述。

现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上，激光束会激发这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入和离开的激光束的差异，我们就完成了一次复杂的量子“计算”，这里面涉及了许多自旋的快速移动。

三、实现量子计算的方法

目前，可用于构建量子计算设备、实现量子计算的手段包括：核磁共振、离子阱、量子光学、腔室量子电动力学、量子点、超导体和非交换小数量子场作用下的任意子等。

量子计算

（一）核磁共振

作为实现量子计算的实验手段之一，核磁共振（NMR）近些年来引起了极大的关注。因为在核磁共振体系中，自旋为1/2的核自旋能够作为量子比特，射频脉冲和J耦合演化能够构造量子逻辑门，实验结果也可以进行测量，消相干也能够得到控制。此外，由于核磁共振体系消相干时间较长，并且具有较为成熟的实验技术，因此，自1997年提出用核磁共振研究量子计算以来，在短短的十几年时间内，这一研究得到飞速的发展，并取得了大量的成果。

目前液态核磁共振量子计算机主要采用自旋1/2的核子，例如质子（氢核）、碳13核、氟19核等。

核磁共振量子计算实验平台

（二）离子阱

离子阱，又称离子陷阱，是一种利用电场或磁场将离子（即带电原子或分子）俘获并囚禁在一定范围内的装置。离子的囚禁在真空中实现，离子与装置表面不接触。应用最多的离子阱有“保罗阱”（四极离子阱）和“彭宁阱”。

离子阱可用于实现量子计算机。

（三）量子光学

量子光学是物理学的一个新兴分支，主要研究光子的量子行为。量子光学解释物理现象时，常常利用量子电动力学，而不是较简单的量子力学，因而引起了越来越多的关注。

量子光学近30年来发展迅速。重要的量子光学实验包括：“路径选择”实验、“卡西米尔效应”实验、“激光冷却和捕获原子”实验等。

卡西米尔效应是由荷兰物理学家卡西米尔于1948年提出的。卡西米尔根据量子场论的“真空不空”观念——即使没有物质存在的真空仍有能量涨落，而提出此效应：真空中两片中性（不带电）的金属板之间会出现吸力。这在经典理论中是不会出现的现象。这种效应只有在两物体的距离非常小时才可以被检测到。例如，在亚微米尺度上，该效应导致的吸引力成为中性导体之间的主要作用力。事实上，在10纳米间隙上（大概是一个氢原子尺度的100倍），卡西米尔效应能产生1个大气压的压强（101.3千帕）。

离子阱

量子光学也可用于实现量子计算机。

四、量子计算机的研究进展与展望

（一）量子计算机的研究进展

近年来社会对高速、保密、大容量的通信及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。目前，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室、马萨诸塞理工学院、IBM公司、斯坦福大学以及中国的清华大学等机构的研究小组已实现7个量子比特的量子算法演示。

2010年3月31日，德国于利希研究中心称，该中心的超级计算机已成功模拟42位量子计算机。在此基础上，研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。

（二）世界首台通用编程量子计算机

世界首台通用编程量子计算机于2009年在美国诞生。这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据。较之传统计算机中的“0”和“1”，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。

研究人员表示，通用编程量子计算机采用了量子逻辑门技术来处理数据。制造量子逻辑门须设计一系列激光脉冲，以操纵铍离子进行数据处理，再由另一个激光脉冲读取计算结果。一个简单的单量子比特逻辑门，可从0转换成1，也可从1转换成0。但与传统计算机的物理逻辑门不同的是，这台设备的量子逻辑门均已编码成激光脉冲。当激光脉冲量子逻辑门对量子比特实行简单逻辑操作时，铍离子便会开始旋转，实现对量子比特的存储。

世界首台通用编程量子计算机

这台量子计算机的核心部件是具有金色图样的铝晶片，内含直径约200微米的电磁圈。科学家将两个镁离子和两个铍离子置于电磁圈中，镁离子可起到“稳定剂”的作用，消除离子链的不必要振动，保持计算机的稳定性。而通过对电磁圈旁黄金电极上的电荷进行控制，研究人员能有效增加所需的离子数量。

不过，这一量子计算机仍存在很多问题。例如，尽管每个量子逻辑门的准确率都在90%以上，而当综合使用时，量子计算机的整体准确率却下降到79%。这主要是由激光脉冲的强度不同造成的，而光线的散射和反射等，也可能是原因。

研究人员表示，通过提升激光的稳定性和减少光学设备的误差，可有效提高芯片的运行准确率。在准确率提升至99．99%时，该芯片才能作为量子处理器的主要部件，最终实现通用编程量子计算机的实际应用。

冷原子量子仿真研究

（三）未来研究展望

现在用原子实现的量子计算机，大多放在试管中，且配备有庞大的外围设备，只能做类似1＋1＝2的简单运算。因而，有科学家就认为，现在的量子计算机只是玩具，能真正做出有实用价值的量子计算机，也许是在5年、10年，甚至是50年以后。

而量子计算机的未来研究方向主要包括：高速、精确的量子操控技术的研究，新型量子信息存储载体的研究，绝热量子计算和量子仿真研究，抗噪声量子方法的探索等。