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量子计算发展现状的研究与应用
◆何湘初　杨忠高　广东工贸职业技术学院
【摘　要】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,最后展望了其未来发展趋势。

【关键词】量子计算　量子计算机　量子算法 一、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,随着量子理论的和信息科学的相结合,为这些问题的解开开辟了新的方向,从而也使得量子计算机成为了当今科研方面研究的热题。

二、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 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。

由于篇幅的原因,各国的研究成果请参见。

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。

三、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Gr over 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。

四、量子计算的应用
1.量子计算的应用主要在下面2个方面。

1.1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 -Cl on 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46K M 的光纤中进行点对点的量子密钥传送,而且美国还实现在1K M 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性证明密码攻击者不能破坏量子信息传输的完整性。

1.2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RS A 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RS A 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。

五、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。

②目前,量子器件最多只能做到7个量子位,同时也没有一种可扩充性的技术。

正如Bennett 教授所说,“现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后。

③寻找一种能存储“量子比特”的物理载体手段很难,目前大都利用原子的自旋轴或者它的能级来存储量子比特。

④成功有效的量子算法有限,目前比较好算法是:Shor 算法和Gr over 算法,我们还需要更多能解决实际重大问题的量子算法,以证明在哪些问题上量子计算机的确比传统计算机要优越。

六、结语本文作者的创新点在于对量子计算的研究进程、量子计算机相对于经典计算机的优势、量子计算机的应用和制约量子计算机应用发展的主要因素进行了比较全面的综述,这对于刚刚接触量子方面的研究工作者具有很好的参考价值。

总之,实现量子计算只是时间的问题,从目前的发展速度来看,我们完全有理由相信,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的前景,量子计算机一定会成为现实。

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