量子计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机科普
一．量子计算机提出的必要性 现代社会的发展对信息的处理要求越来越高， 而人类的好奇心也是与日俱增， 作为信息 处理工具的计算机自然成了人们关注的重点。 尽管计算机的历史不足百年， 但其迅猛的发展 速度很是让人吃惊， 同时也促进了科学技术的进步。 然而摩尔定律指出计算机芯片集成度每 十八个月就翻一番，从计算机发展历史来看，到 2020 年芯片集成度就会布线间隔达到原子 尺度的量级而被限制， 不能再进一步提高， 因此如今的经典计算机是不能从长远来满足人类 的需求的。 为了从原理上创新而不仅是技术上进步来提高计算机性能， 人们提出了以下几种 概念的新型计算机：生物计算机，量子计算机，光子计算机。三种计算机都将给这个信息时 代带来巨大冲击。下面简要介绍一下量子计算机。 二．量子计算机原理 量子计算机，顾名思义，就是能实现量子计算的机器。量子计算机运算速率与经典计算 机相比有着无可比拟的优越性。举个例子，假定我们想找出一个130位的组合数的65位质因 数，如果用几百台功能强大的工作站在Internet上协同工作并交换信息，采用所指的最好的 算法来解决这个问题，需要几个月，而要分解400位的大整数，用同样的网络和算法，需要 100亿年，而量子计算机只需要用不到一年的时间。量子计算机超快的运算速率与其计算原 理有关。下面简要介绍一下经典计算机与量子计算机计算原理的对比。 首先对比一下两者储存信息的差别。经典计算机信息的最小单位是位（bit） ，位可以取 0或1两者之一， 经典信息储存的形式是位序列， 比如可以用00110101……来表示一个信息。 而量子计算机信息的最小单位是量子位（qubit） ，可以用二维复矢量内积空间的一个矢量来 ������ 表示，则N个量子位组成的量子态由2 维空间的矢量描写。这样在量子计算机中表示信息的 某一归一化矢量可以表示为|φ>= ������ ������ ∈{0,1} ������������ |������1 ������2 … ������������ >, ������ |������������ |2 =1,������������ 为矢量被探测到的概 率，由此一个归一化矢量可以表示的不止一个信息。这样，在经典计算机里，经典位存储的 信息是分立的，按二进制位只能存储0或1的数据，N个二进位制位只能存储N个一位二进制 数或者一个N位二进制数。但在量子计算机中，一个量子位可以同时存储两个数据，N个量 子位能同时存储2������ 个数据。因此量子计算机的存储能力远远超越了经典计算机。 量子计算机超快的运行速度得益于量子并行算法， 而量子并行算法的实现是与量子纠缠 态关联效应无法分开的。量子纠缠态关联效应是指，如果两个粒子处在纠缠态上时，对其中 一个粒子的测量必然同时影响到另外一个粒子， 也就是一次测量可以同时获得两个粒子的信 息。这样，量子并行算法就得以实现了。但量子纠缠态是极其脆弱的，如果量子系统不能同 环境有效隔离，和环境间出现较强的相互作用，就会使量子关联效应减弱或消失，并破坏已 建立的纠缠态。这是退相干效应。如果可以有效克服退相干效应，量子计算机并行计算就逾 越了一个大障碍。 三．量子计算机应用 量子计算机如果实现并公众化的话， 其带来的影响远不止于人们可以使用更大存储量和 运算速率更高的计算机，它还会给人们的生活带来很多影响，比如经济方面。人们通常会把 钱存在银行里，当然如今银行使用的密钥系统是理论上当前计算机无法在短时间内解开的。 但是，量子计算机却可以轻松破解这一密钥系统，人们必须建立新的量子算法的密钥系统， 否则，经济生活就会变得极不安全。在科研上，量子计算机可以用来模拟量子系统，从而对 科研起到强大的推动作用。 四．量子计算机展望
量子计算机的实现面临很多困难和挑战， 但是科学家总可以找到相应的解决办法， 其实 现也并非遥不可及。 在 2000 年时， IBM 公司已经成功实现了 5 量子位的量子计算装置， 2012 年其量子计算机已可进行百万项计算，其发展极其迅速。 当今科学界对量子计算机的研究也是十分热门， 估计在不远的未来， 量子计算机终将实 现。