量子计算发展现状的研究与应用（关亚琴11201131399276 西南大学）摘要：本文对量子计算的最新研究方向进行了介绍，简述了量子计算和量子信息技术的重要应用领域。

分析了量子计算机与经典计算机相比所具有的优点和目前制约量子计算机应用发展的主要因素，强调发展大规模的量子计算和实现强关联多系统的量子模拟，是当前量子计算的主流。

文章主体部分主要介绍了量子计算机硬件研究方面的进展。

最后展望了量子计算的未来发展趋势。

关键字：量子计算量子计算机量子算法目录1引言 (3)2量子计算的研究进程 (4)3量子计算机的优势 (5)4量子计算的应用 (5)4.1 保密通信 (5)4.2 量子算法 (5)4.3 量子计算机技术发展 (6)4.4 量子计算机的优点 (6)4.4.1 存储量大、速度高 (6)4.4.2 可以实现量子平行态 (6)4.5 量子计算机发展现状和未来趋势 (6)4.5.1 量子计算机实现的技术障碍 (6)4.5.2 量子计算机的现状 (7)4.5.3 量子计算机的未来 (7)5制约量子计算机发展的因素 (7)6结语 (7)7参考文献: (8)1引言众所周知，信息科学在推动人类社会文明进步和提高人类生活方面发挥着重大作用,然而，在人类迈入二十一世纪的今天,信息科学也面临着新的挑战。

经典计算机随着电子元器件发展空间接近于极限值，其运算速度也将接近于极限值。

另外，计算机能否实现不可破译？不可窃听的保密通信？这些问题都是近年来数学家和电子技术方面的专家们关注的主要课题。

如今，随着量子理论和信息科学的相结合，为这些问题的解开辟了新的方向，从而也使得量子计算机成为了当今科研方面研究的热题。

2量子计算的研究进程量子力学从二十世纪二十年代诞生至今八十多年来取得了巨大的成功,尽管目前人们对量子力学理论的理解和解释存有各种不同的看法,但作为一个成功的物理理论,它的正确性是不可置疑的。

量子计算机是利用“隧道效应”等已知的量子力学效应实现的超级并行计算机,最初量子计算机的概念起源于对可逆计算机的研究,主要是为了克服计算机中的能耗问题。

Landauer最早考虑了计算机芯片发热限制计算机运行的速度。

而Bennet证明,所有经典不可逆的计算机都可以改造为可逆计算机,而不影响其计算能力。

然而此时所谓的量子可逆计算机并非真正意义上的量子计算机,因为它并没有用到量子力学的迭加性和相干性等本质特性,而只是用量子力学方面的语言来描述经典计算机。

由于量子计算机具有巨大的应用前景和市场潜力,使得量子计算机的发展开始进入了新的时代,各国政府和各大公司也纷纷制定了针对量子计算的一系列的研究开发计划。

量子计算在20多年的研究发展过程中,取得了较大的进展。

尤其是最近几年,实验室一级的科研成果不断涌现。

目前,在有关量子计算与量子通信研究上处于领先水平的主要国家有美国、日本和西欧等国家,他们投入了大量的人力和物力,其研究成果在现实生活中越来越具有实际价值。

我国在这方面也积极参与,《自然》杂志2004年发表了中国科技大学潘建伟教授等完成的重大研究成果。

3量子计算机的优势量子计算机是服从量子力学规律的计算机,它可以支持新类型的量子算法。

已经发现量子计算机可以在以下三个方面超出经典计算机。

1.指数加速。

量子计算机可以运行量子算法以多项式时间解某些在经典计算机中非P类问题。

其中最为著名的例子就是Shor分解大数质因子的量子算法。

量子计算机有可能把NP问题转化为易解的P类问题。

2.非指数加速。

己经发现一些量子算法使量子计算机比经典计算机可以快得多地求解某些问题,但这种加速不是把指数算法变成多项式算法,而只是把一个需要N 步的计算缩小为N步,例如Grover未整理数据搜索的量子算法。

3.“相对黑盒的”指数加速。

计算机科学中的“黑盒”是指可以执行某种计算任务的一段程序。

量子计算机中的“黑盒”是可以完成某种计算任务的一系列么正变换。

在分析问题的计算复杂性时,它耗费的计算资源不包括在内。

4量子计算的应用量子计算的应用主要在下面2个方面。

4.1保密通信由于量子态具有事先不可确定的特性,而量子信息是用量子态编码的信息,同时量子信息满足“量子态不可完全克隆(No- Clon ing)定理”,也就是说当量子信息在量子信道上传输时,假如窃听者截获了用量子态表示的密钥,也不可能恢复原本的密钥信息,从而不能破译秘密信息。

因此,在量子信道上可以实现量子信息的保密通信.目前,美国和英国已实现在46KM的光纤中进行点对点的量子密钥传送,而且美国还实现在1KM以远的自由空间传送量子密钥,瑞士则实现了在水底光缆传送量子密钥。

此外,A. K. Pati等人利用量子力学的线性证明密码攻击者不能破坏量子信息传输的完整性。

经典密码体制的算法安全性主要是计算安全性，量子密码是以密码学和量子力学为基础，利用量子物理学方法实现密码思想的一种新型密码体制。

由于量子密码系统是一个物理系统，它允许两方或多方在没有共享秘密信息的情况下通过公开信道建立共享密钥，其安全性基于海森堡测不准原理和量子不可克隆性等量子力学的基本原理，它保证了窃听者不可能在不破坏系统量子态的情况下进行窃听或获取信息，从而达到一种以公开的方法来实现无条件保密的效果。

量子密码协议是量子密码的基础，论文首先对量子密码协议进行了改进，将传统的量子密钥分发过程扩展为七步，其重点在错误消除、估计Eve的信息和保密加强方面进行了阐述，同时给出相应的图表，明确从身份认证到最后加密消息的传送这一整个过程。

其次，基于现有多接入星型(MASM)量子网络、多接入控制总线(MACB)量子网络和原有的基于法拉第镜的Geneva小组的实验方案的分析，提出了基于Sagnac环的环型量子密钥网络，介绍了Sagnac环实现原理，此网络主要利用Sagnac效应，使用比较成熟的BB84协议，实现三对一链接结构，文章同时对这一结构的安全性和效率进行了分析。

最后，本文提出了一种新的量子身份认证的设计方案。

不同于基本的共享信息型和共享纠缠型身份认证，它是把量子的纠缠态与经典密码结合起来，实现一种数字身份证，并给出具体数据，进行了实例分析，得出其安全性和效率结论，同时对量子身份认证的发展做出了展望，重点是要充分利用量子的物理特性，解决噪声和非法入侵问题。

4.2量子算法对于一个足够大的整数,即使是用高性能超级并行计算机,要在现实的可接受的有限时间内,分解出它是由哪两个素数相乘的是一件十分困难的工作,所以多年来人们一直认为RSA密码系统在计算上是安全的。

然而, Sho r博士的大整数素因子分解量子算法表明,在量子计算机上只要花费多项式的时间即可以接近于1的概率成功分解出任意的大整数,这使得RSA密码系统安全性极大地受到威胁。

因此, Sho r算法的发现给量子计算机的研究注入新活力,并引发了量子计算研究的热潮。

4.3量子计算机技术发展自1646年第一台电子计算机问世以来，其芯片发展速度日益加快。

按照芯片的摩尔定律,其集成度在不久的将来有望达到原子分子量级。

在享受计算机飞速发展带来的种种便利的同时，我们也不得不面临一个瓶颈问题，即根据量子力学理论，在芯片发展到微观集成的时候，量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。

因此，量子力学对计算机技术发展具有决定性作用。

4.4量子计算机的优点近年来的种种试验表明，量子计算机的计算和分析能力都超越了经典计算机。

它具有如此优越的性质正在于它的存储读取方式量子化。

对量子计算机的原理分析可知，以下两个个特性是令量子计算机优越性的根源所在。

4.4.1存储量大、速度高经典计算机由0或1的二进制数据位存储数据，而量子计算机可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位，即量子位。

不同于经典计算机在0与1之间必取其一，量子位可以是0或者1,也可以是0和l的迭加态。

因此，量子计算机的n个量子位可以同时存储2n个数据,远高于经典计算机的单个存储能力;另一方面量子计算机可以同时进行多个读取和计算，远优于经典计算机的单次计算能力。

量子计算机的存储读取特性使其具有存储量大、读取计算速度高的优点。

4.4.2可以实现量子平行态由量子力学原理可知,如果体系的波函数不能是构成该体系的粒子的波函数的乘积,则该体系的状态就处在一个纠缠态,即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。

而量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制，这使两个处在纠缠态的粒子而言，不管它们离开有多么遥远,对其中一个粒子进行作用,必然会同时影响到另外一个粒子.正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应,使得量子计算机可以利用纠缠机制，实现量子平行算法,从而可以大大减少操作次数。

4.5量子计算机发展现状和未来趋势4.5.1量子计算机实现的技术障碍到目前为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机，它的实现还有许多技术上的问题。

量子计算机的优越性主要体现在量子迭加态的关联效应.然而,环境对迭加态的影响以及迭加态之间的相互作用会使这种关联效应减弱甚至丧失,即量子力学去相干效应.因此应尽量减少环境对量子态的作用。

同时,万一由于相干效应引入了错误信息,必需能及时改正，这需要进一步的研究和实验。

另一方面，量子态不能复制，使得不能把经典计算机中很完善的纠错方法直接移植到量子计算机中来.由于量子计算机在计算过程中不能对量子态测量,因为这种测量会改变量子态,而且这种改变是不可恢复的，因此在纠错方面存在很多问题。

4.5.2量子计算机的现状由于上述两种原因，现在还无法确定未来的量子计算机究竟是什么样的,目前科学家门提出了几种方案.第一种方案是核磁共振计算机.其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0和1两种状态，重点在于实现自旋状态的控制非操作，优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。

第二种方案是离子阱计算机.其原理是将一系列自旋为1/2的冷离子被禁锢在线性量子势阱里,组成一个相对稳定的绝热系统，重点在于由激光来实现自旋翻转的控制非操作其优点在于极度减弱了去相干效应,而且很容易在任意离子之间实现n位量子门。

第三种方案是硅基半导体量子计算机.其原理是在高纯度硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位,重点在于用绝缘物质实现量子态的隔绝，其优点在于可以利用现代高效的半导体技术。

此外还有线性光学方案,腔量子动力学方案等.4.5.3量子计算机的未来随着现代科学技术的发展，量子计算机也会逐渐走向现实研制和现实运用。

量子计算机不但于未来的计算机产业的发展紧密相关,更重要的是它与国家的保密、电子银行、军事和通讯等重要领域密切相关。

实现量子计算机是21世纪科学技术的最重要的目标之一。

5制约量子计算机发展的因素目前,量子计算机的应用尚处于起步阶段,制约量子计算机应用发展的主要因素有:①受环境的影响,量子算法所需的相干性和量子干涉效应非常脆弱,非常容易出错,并且随着机器规模的增大,计算的可靠性急剧下降,使制造规模大的量子计算机变得十分困难。