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量子計算的特性范文1
[關鍵詞]量子；特性；意識；應用
中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0298-01
一、量子的基本知識
1、量子
我們在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說一個“光量子”，是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性，連不少科學家都為之迷惑，對于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。
2、量子的特性
量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。
量子疊加就是說量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對物質的測量意味著擾動，會改變被測量物質的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術， 孫悟空可能同時出現(xiàn)在幾個地方，他的各個分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時出現(xiàn)在多個不同的地方。”
而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。“如果這兩個光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現(xiàn)遙遠的點之間的詭異互動，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應用將會改變我們的生活，真正地突破時空的局限，交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號”量子衛(wèi)星昭示著我國在量子通信領域已處于世界領先的地位。
二、意識是量子力學現(xiàn)象
人們的意識一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認識到了意識是種量子力學的現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時有兩種可能的狀態(tài)：一個沒有任何心思的人會看房非房，他的意識處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動念頭。意識也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動念頭了，動念頭實質上就是作了測量。
客觀世界是一系列復雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識，他認為計算機僅僅是邏輯運算，不會產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識是種量子力學現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個地方存在著人的意識。
三、量子技術的應用
科學家認為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎。實際上，量子糾纏還有很多奇妙的應用，可以在許多領域中突破傳統(tǒng)技術的極限。量子技術已經(jīng)成為一個新興的、快速發(fā)展中的技術領域。這其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。
1、量子通信
量子通信就是通過把量子物理與信息技術相結合，利用量子調(diào)控技術，確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術為基礎的計算機信息技術極易遭遇泄密的問題。
2、量子計算
量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力，源自于對真實物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時，當需要模擬的粒子數(shù)目很多時，一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當漫長。而如果用量子系統(tǒng)所構成的量子計算機來模擬量子現(xiàn)象則運算時間可大幅度減少，從此量子計算機的概念誕生。
3、量子成像
量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來的一種新的成像技術，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個不同的光學系統(tǒng)中，在其中一個系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關聯(lián)測量，在另一個光學系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。
4、量子生物學
量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設想由脫氧核糖核酸雙螺旋結構模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發(fā)展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發(fā)展到一定階段之后相互結合的產(chǎn)物。
愛因斯坦相對論指出：相互作用的傳播速度不會大于光速，可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態(tài)中的粒子，當對一個粒子進行測量時，另一個粒子的狀態(tài)受到關聯(lián)關系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h遠超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領會它，另外從常識角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面，量子物理學有很廣泛的應用，它的發(fā)展可能帶來行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計算機到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在啊！
參考文獻
[1] 薛定諤，生命是什么.
[2] 舒娜，量子糾纏技術與量子通信.
[3] 尼古拉.吉桑著，周榮庭譯，跨越時空的骰子.
[4] 中國科普博覽.
[5] 科普中國.
量子計算的特性范文2
量子芯片是在傳統(tǒng)半導體工業(yè)的基礎上，充分利用量子力學效應，實現(xiàn)高效率并行量子計算的核心部件。“量子芯片”是未來量子計算機的“大腦”。
新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時，該新型多電子軌道雜化實現(xiàn)量子比特編碼和調(diào)控的方式具有很強的通用性，對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
量子計算的特性范文3
【關鍵詞】計算機；發(fā)展；應用
【中圖分類號】TP309.5 【文獻標識碼】B 【文章編號】1009-5071(2012)08-0249-01
如今計算機的發(fā)展已經(jīng)進入了人工智能時代，新型計算機的時代又將是新一輪的計算機革命，這又將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。
1 新型計算機系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)
信息時代對信息的獲得能力決定了一個國家或者地區(qū)在這個時代的發(fā)展能力。全球化已經(jīng)越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發(fā)新型的計算機，計算機的各個方面都出現(xiàn)了質的飛躍。而新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等也將在不久的將來進入我們生活的各個領域，甚至有些已經(jīng)進入了我們的生活。
1.1 量子計算機：量子計算機的研發(fā)是基于量子效應理論開發(fā)的，它的運算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號的開和關，并用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使得信息沿著聚合物移動，進行運算。量子計算機的存儲單位比以往的計算機都要小許多，是用量子位存儲的。具體的表現(xiàn)就是一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，這樣量子計算機的優(yōu)勢就是比存儲量就變的非常龐大，對于工作要求存儲量大的電腦用戶來說是一個極佳的選擇。目前正在研發(fā)的量子計算機類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計算機，第二種是硅半導體量子計算機，第三種是離子阱量子計算機。科學家們預測，量子計算機將在不久的2030年獲得普及。
1.2 光子計算機：光子計算機也可以被稱作是全數(shù)字計算機，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設備，用光運算的方式代替電運算的方式進行運算。這種計算機的優(yōu)勢是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計算機并行處理能力強大，運算速度遠超人們的想象。
1.3 生物計算機：生物計算機亦稱作DNA分子計算機，它的運算過程簡單來說就是蛋白質分子與周圍物理化學介質相互作用的過程。計算過程中需要的轉換開關是用酶來擔任的，程序的表示也將在酶合成系統(tǒng)與蛋白質結構中變得極其明顯。生物計算機的運算速度比人腦的運算速度要快100萬倍，也就是說生物計算機完成一項運算需要的時間僅僅是10微微秒。這種計算機的優(yōu)勢是驚人的存儲量，根據(jù)計算，1立方米的DNA溶液可以存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。
1.4 納米計算機：納米作為一種計量單位，許多人對其并不陌生，但是對其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米。現(xiàn)在納米技術在計算機領域正在從微電子機械系統(tǒng)中被運用，這個系統(tǒng)是把傳感器、電動機和計算機的個各種處理器放在了同一個芯片上。這種用納米技術的計算機芯片非常微小，體積一般不過就是數(shù)百個原子的大小。它的優(yōu)點就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現(xiàn)在的計算機要強大的多。
2 計算機技術發(fā)展
2.1 現(xiàn)代微型處理器技術發(fā)展：計算機性能的提升關鍵技術就是微型處理器的發(fā)展，這種技術追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實現(xiàn)減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯(lián)通晶體管的導線和刻蝕于硅片上的晶體管更細更小的方法來實現(xiàn)的，這種技術到現(xiàn)在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會受到阻礙，也因此現(xiàn)在的計算機技術已經(jīng)不再追求利用紫外線做光源來提升計算機的性能發(fā)展方向了。
2.2 以納米為主的電子科學技術：當今計算機技術的發(fā)展障礙是處理速度和集成度，盡管現(xiàn)在的電子計算機的電子元件得到了有效的改善，但是相對于現(xiàn)在要求電子計算機的高速化，智能化，和微型化的要求是遠遠不夠的， 所以今后計算機的技術發(fā)展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創(chuàng)新手段來完善計算機技術。
2.3 分組交換技術的發(fā)展：分組交換技術是把需要傳送的數(shù)據(jù)劃分為一些等長的部分，每個部分叫做一個數(shù)據(jù)段的技術。在這些數(shù)據(jù)段的前面添加一個控制信息組成首部，就可以構成一個分組。分組通過首部指明了需要發(fā)往的地址，然后節(jié)點交互機根據(jù)分組的地址，將他們發(fā)往目的地。整個過程就是分組交換過程，這種技術很好的提升了通信的效率。
3 計算機技術發(fā)展方向
現(xiàn)在的計算機在人們的生活中已經(jīng)扮演了一個非常重要的角色，但是它的角色只會變得越來越重要，因為以計算機技術為基礎，人類將進入智能化、物聯(lián)網(wǎng)的時代。
3.1 納米技術需要大力發(fā)展：納米技術不受到傳統(tǒng)的計算機集成和處理速度的限制，納米技術就成了今后計算機技術大力發(fā)展的一個方向了。今后出現(xiàn)的量子計算機和生物計算機的發(fā)展都有賴于納米技術在計算機領域的應用和發(fā)展，為推動今后計算機的運算速度和存儲能力遠遠超越現(xiàn)在的計算機，大力發(fā)展納米技術也成了一個必要的選擇。
3.2 著力改善計算機的體系結構：計算機是一個具有不同功能的體系結構，也是一個組合體。當代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時處理不同問題的能力，這種功能就是是當前計算機的主流結構：并行計算。另外大型電腦有一個群集的發(fā)展趨勢，使用戶對相融性和可靠性的需求獲得提高。
3.3 網(wǎng)絡技術推動計算機智能化、物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展：大力發(fā)展網(wǎng)絡技術有助于計算機技術的進一步發(fā)展，人們今后進入智能化、物聯(lián)網(wǎng)時代都要依靠網(wǎng)絡技術的發(fā)展。今天的人們之所以離不開計算機，一個主要的原因就是網(wǎng)絡技術的發(fā)展。通過網(wǎng)絡，人們在家里都可以實現(xiàn)購物，娛樂，獲取信息等目的。
量子計算的特性范文4
關鍵詞：量子定位 量子糾纏 Hong-Ou-Mandel干涉
中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0007-02
Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.
Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference
衛(wèi)星導航定位技術以天基人造衛(wèi)星為基本平臺，能夠為全球海、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時連續(xù)不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術成熟的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），歐洲導航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，我國的北斗導航系統(tǒng)，廣泛應用于交通導航、衛(wèi)星授時應用、應急指揮、民用水情測報服務等，發(fā)揮了非常重要的作用。
雖然GPS在導航定位領域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題。
（1）定位精度仍然不夠高，系統(tǒng)體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重復地向空間發(fā)射電磁波信號，檢測電磁波到達待測點的時間延遲來實現(xiàn)的，這種以經(jīng)典物理學為基礎的方法受到所能實現(xiàn)的可利用功率及帶寬的限制，其測量精度很難獲得進一步的提高。此外，電磁波信號受到電離層和對流層的干擾，特別在城市、山區(qū)等復雜自然環(huán)境下，由于高層建筑、樹木等對信號的影響，會導致信號的非直線傳播，從而使得不同環(huán)境下的導航效果具有比較大的差異。
（2）保密性較差，美國斯坦福大學設立有一個專業(yè)實驗室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)星信號，華裔學者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細地闡述了衛(wèi)星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機碼，但至少是可以部分破譯的。
（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號強度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。
由于存在著這些缺陷，美國投入巨資完善并發(fā)展GPS系統(tǒng)。基于量子技術的量子定位系統(tǒng)（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強的導航定位技術，就是其發(fā)展重點之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學院研究人員于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質區(qū)別在于所采用信號的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復發(fā)送電磁波脈沖測量信號達到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態(tài)，量子定位系統(tǒng)就能夠超越經(jīng)典測量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測不準原理所限定的物理極限。
1 量子定位技術的關鍵技術
1.1 量子定位系統(tǒng)的原理
量子定位技術利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統(tǒng)GPS的微波信號來實現(xiàn)精確定位。區(qū)別于微波信號的長波長波束覆蓋寬，激光的波長很短指向性很高，衛(wèi)星與用戶間的傳統(tǒng)同步方法不再適用。因此量子定位系統(tǒng)的定位不應是取代現(xiàn)有GPS，而是與GPS相結合，實現(xiàn)安全高精度的定位目的。通過對量子定位技術原理的研究與優(yōu)選，提出具有實用性的量子定位系統(tǒng)體系架構以及面向用戶的應用模式，才能將量子定位系統(tǒng)推廣應用。
量子定位系統(tǒng)由量子糾纏態(tài)光源、HOM干涉測量部分以及系統(tǒng)控制部分組成，其基本原理與關鍵特性如下。
（1）高性能量子糾纏態(tài)光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產(chǎn)生一種非線性光學效應，這種效應一對低頻率光子具有很強的量子糾纏、關聯(lián)和非定域特性，可實現(xiàn)時間和空間上的高精度測量。作為光源，光子糾纏態(tài)的糾纏純度、退相干時間對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大的影響。
（2）高穩(wěn)定HOM干涉測量與處理。在量子力學的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區(qū)分的雙光子整體態(tài)。當兩個光子在時域上同時到達分束片上時，雙光子態(tài)不可區(qū)分，此時干涉出現(xiàn)，兩個探測器的計數(shù)出現(xiàn)強的反關聯(lián)。反之，當我們改變一條鏈路中的延時，致使復合計數(shù)出現(xiàn)強的反關聯(lián)時，即可知道此時兩個光子在時域上不可區(qū)分。這正是利用HOM干涉實現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的基本原理。
（3）高精度ATP與時間同步技術：在單組基線的系統(tǒng)中，需通過改變可控反射模塊來實現(xiàn)基線與待測點r0之間建立穩(wěn)定的光鏈路。二者的精確指向將影響到最終定位的精度，因此對反射模塊的反射角度需要進行反饋控制。在利用參考光實現(xiàn)對于待測點ATP（獲取、跟蹤、瞄準）之后，定位過程將通過精密調(diào)整延時并觀測探測器的復合計數(shù)來實現(xiàn)。
1.2 量子定位系統(tǒng)與量子保密通信的結合技術
原理上，量子定位系統(tǒng)與量子保密通信都是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與后處理。因此，在同一套系統(tǒng)中實現(xiàn)兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術，實現(xiàn)對交互信息的保密處理，提高量子定位系統(tǒng)的安全性。兩者相結合，能夠充分發(fā)揮量子定位系統(tǒng)技術優(yōu)勢的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統(tǒng)的一個應用方向。
1.3 大氣、重力場環(huán)境的干擾校正技術
與GPS類似，為了實現(xiàn)寬覆蓋、全天候工作，星載平臺將是未來量子定位系統(tǒng)走向實用化的最佳平臺。對于LEO低軌衛(wèi)星等自由空間傳輸?shù)男堑劓溌范裕髿獾膿p耗、湍流、散射，重力場對于授時的影響都是系統(tǒng)中必須考慮的因素，必須通過對環(huán)境的建模與仿真，分析對信息傳輸鏈路的影響，以實現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的校正。
2 量子定位技術的發(fā)展前景
量子定位技術作為一種不同于傳統(tǒng)GPS的新型精確定位技術，是量子光學和通信導航技術相融合的典范。這項技術的深入研究，能為下一代高精度導航系統(tǒng)提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個方面。
（1）量子定位系統(tǒng)技術理論和工程實現(xiàn)將促進電子信息系統(tǒng)進入量子時代。
隨著信息化社會的發(fā)展，未來將逐步進入量子的時代。在量子領域的實用化進程中，高性能、大規(guī)模的量子設備（如星地量子保密通信、量子計算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術逐步實用化提供了良好的基礎。
（2）量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術的結合是未來實用化的最佳途徑。
目前量子密碼是目前最具有實用性的量子技術。將量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術相結合，擴展研發(fā)系統(tǒng)的功能，改善系統(tǒng)的安全性與抗干擾性。這對于軍用安全電子以及電子對抗裝備意味著創(chuàng)新的實現(xiàn)。同時作為一種全新的交叉領域的產(chǎn)物，針對量子定位系統(tǒng)技術的深入研究和實際系統(tǒng)研制，將大力促進我國在量子領域、激光通信等相關學科的快速發(fā)展。
量子計算的特性范文5
論文摘要:本文介紹了量子計算糾纏和量子比特的基本概念，系統(tǒng)闡述了幾種主要的量子算法:Shor算法———大數(shù)質因子分解的量子算法;Grover搜索———無序數(shù)據(jù)庫的搜索;Hogg搜索———高度結構化搜索。在對量子計算基本理論和量子算法有一定認識的基礎上，進一步介紹了在量子計算實驗方面起重要作用的二種體系:核磁共振、腔與原子體系。
Abstract:In this thesis，several basic conceptions of quantum computation are introduced，such as entanglement，quantum bit.Several kinds
of main quantum algorit hms are illustrated，such as Shor algorit hm-t he quantum algorit hm for factoring，Grover search-t he search for t he disordering
database，Hogg search-high structurization search.On t he basis of knowledge of basic t heories of quantum computation computing and quantum algo
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rit hm，two kinds of systems which play important role in t he experiment of quantum computation was introduced，Nuclear magnetic resonance and cavi
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ty atom system.
Key words:Quantum algorithm Quantum computation Quantum bit Entanglement
量子計算是量子物理與計算機科學交匯而生的一門新興學科。它的出現(xiàn)實質上是量子物理學向物質、能量和信息這三大領地的最后一塊信息領域的進軍。
一、量子計算的基本理論
1、糾纏
1935年，Schr dinger首先給出了糾纏態(tài)的定義:由空間分離的兩個子系統(tǒng)構成的純態(tài)，如果系統(tǒng)波函數(shù)不能分解為兩個子系統(tǒng)波函數(shù)的乘積，那么這樣的波函數(shù)表示的態(tài)稱作兩個粒子的糾纏量子態(tài)。1935年，Einstein，Podolsky和Rosen首先討論了一個具體的兩粒子糾纏量子態(tài)。在這個著名的實驗中，兩粒子的糾纏量子態(tài)為:|Ψ〉=∑a，bδ(a+b-c0)|a|b〉
其中a，b分別為粒子1和粒子2的位置或動量，C0為常數(shù)。這個糾纏態(tài)的一個最明顯的特征是:其中任何一個子系統(tǒng)的物理量的觀測值(位置或動量)都是不確定的。但是，如果其中的一個子系統(tǒng)的物理量的觀測值處于一個確定的值，那么我們就可以確定另外一個子系統(tǒng)的相應物理量觀測值。
2、量子比特
量子比特有微觀體系表征，如原子、核自旋或光子等。|1>和|0>可以由原子的兩個能級來表示，也可以由核自旋或光子的不同極化方向來表征。與經(jīng)典比特顯著不同的是，量子比特|1>和|0>之間存在著許多中間態(tài)，即|1>和|0>的不同迭加態(tài)，例如12(|0>+|1>)表示一個兩子比特同時存儲著0和1。因此，對于位數(shù)相同的n個比特，量子比特可以存儲2n倍的經(jīng)典比特所能存儲的信息。對于兩個量子比特的體系，其完備基由四個布爾態(tài)|00>、|01>、|10>和|11>組成。考慮它們之間的迭加，我們可以發(fā)現(xiàn)，|10>+|11>=|1>(|0>+|1>)，這是由兩個量子比特構成的直積空間。而|11>+|00>或|01>+|10>則不能再寫成直積形式。后面這種情況就是前面提到的糾纏。對于一個處于糾纏狀態(tài)的體系，我們不能確切地指出其中某一個量子比特是處于|1>還是|0>。更一般的糾纏態(tài)是處于2n個布爾態(tài)的n個經(jīng)典比特組成的迭加態(tài)。|Ψ〉=∑11…1x=00…0Cx|x〉其中Cx可以是復數(shù)并且滿足∑x|Cx|2=1。當Cx=12n時，稱為等幅迭加態(tài)。這種等幅迭加態(tài)在以下要介紹的各量子算法中經(jīng)常被用作初態(tài)。從上式也能看出，|Ψ>是一個2n維的Hilbert空間中的一個單位矢量。它所在空間的維數(shù)是隨n呈指數(shù)型增長，這明顯區(qū)別于經(jīng)典體系中隨n呈線性增長的態(tài)空間。在一個孤立的量子體系中，對態(tài)的操作應是幺正的、可逆的。因此，我們構造的量子邏輯門也應滿足這個特征。
二、量子算法
1、Shor算法———大數(shù)質因子分解的量子算法
用經(jīng)典計算機來進行大數(shù)質因子分解，隨著N的增大，所需比特數(shù)(即內(nèi)存)是呈指數(shù)倍的增長。按照組合數(shù)學理論，當計算規(guī)模隨著問題的難度呈多項式型增長時，該問題為P(Polynomial)問題。對于P問題，我們在有限的時間內(nèi)總能找到辦法求得它的解。對于我們在有限的時間內(nèi)不可能找到辦法求得解的問題稱之為NP(Non-Polynomial)問題。目前世界上應用最廣也是最成功的加密方法-公開密鑰RSA系統(tǒng)的核心思想就是利用大數(shù)在有限時間內(nèi)不可有效質因子化這一結論。1995年，P.W.Shor提出一種量子算法，能將這一著名的NP問題化為P問題，矛頭直指RSA方法，從而在全球掀起了量子計算的研究熱浪。在Shor算法中，尋找一個大數(shù)的質因子問題被轉化為尋找其余因子函數(shù)的周期。只要該周期被找到，并且為一個偶數(shù)，那么利用剩余定理，就能得到該大數(shù)的質因子。給定整數(shù)N，選取一個與N互質的數(shù)a(a
不難看出，fa，N(x)的變化是有規(guī)律的，其變化周期為r=4。知道了這個周期，就可以利用孫子定理:設A=ar/2+1，B=a
r/2-1，其中r必須為偶數(shù)，且ar/2mod(N)≠1。求出A、B之后，再分別求A、N和B、N的最大公約數(shù)(gcd)。設C=gcd
(A，N)，D=gcd(B，N)那么一定有C×D=N，即N被成功地質因子化。Shor算法的關鍵在于求出大數(shù)N的余因子函數(shù)的周期r。不過，由于余因子函數(shù)的周期r不能在量子計算中被有效測出，因此在Shor算法中需借助量子離散傅立葉變換，將余因子函數(shù)的周期換成另一個可測的周期。
2、Grover搜索:無序數(shù)據(jù)庫的搜索
Grover提出了一種算法:利用量子態(tài)的糾纏特性和量子并行計算原理，可以用最多n步的搜索尋找到所需項。Grover算法的思想極為簡單，可用一句話“振幅平均后翻轉”來概括。具體說來是以下幾個基本步驟:
①初態(tài)的制備。運用Hadamard門將處于態(tài)|0>和|1>的各量子比特轉化為等幅迭加態(tài)。
②設數(shù)據(jù)庫為T[1，2，，N]共，n項。設其中滿足我們要求的那一項標記為A。于是在T中搜索A類似于求解一個單調(diào)函數(shù)的根。運用量子并行計算可以將A所在態(tài)的相位旋轉180°，其余各態(tài)保持不變。即當T[i]=A時，增加一個相位eiπ。
③相對各態(tài)的振幅的平均值作翻轉。這一操作由幺正矩陣k1，k2…knD完成，其表達式為Dij=2/N，Dij=-1+2/N。
④以上②③兩步可以反復進行，每進行一次，稱為一次搜索。可以證明，最多只需搜索N次，便能以大于0.5的幾率找到我們要找的數(shù)據(jù)項。Grover算法提出之后，引起了眾人極大的興趣。Grover算法中的翻轉方法不僅被證明是最優(yōu)化的搜索方式，而且也是抗干擾能力極強的方法。
3、Hogg搜索:高度結構化搜索
前面介紹過的NP問題中有一類名為可滿足性問題(Satisfiability Problem，簡稱SA T問題)。一個典型的SA T問題是包括有n個變量的一個邏輯公式，要求給予其中每個變量一個賦值使邏輯公式為真。數(shù)學上已證明，解決SAT問題的代價是隨著變量數(shù)的增加而呈指數(shù)型增長。然而對于某些簡單的情況，人們可以利用問題中具有的規(guī)則結構來迅速準確地搜索出問題的解。例如對于1-SAT問題，用經(jīng)典試探法進行搜索，找出解的代價為最多需用n步。對于量子計算而言，由于能進行量子并行計算，因而可以僅以一步的代價找出1-SAT問題的解。下面以有m個邏輯子句的1-SAT問題為例。與Grover搜索相似，我們先在n個量子比特上制備一個等幅迭加態(tài)作為初始態(tài)，即|Ψ〉=2-n/2∑n-1s=0|S〉。另外，我們需設計好兩種幺正操作R和U，其中R為對角矩陣，其歸一化對角元為Rss=2cos[(2c-1)π/4] m=偶數(shù)ic
m=奇數(shù)。(3.3.1)式中的c(0
轉貼于 對于以上1-SAT問題，顯然有m個變量是約束的，而剩余的n-m個非約束的變量則對應于2n-m個解。對于1-SAT問題，用Hogg算法能決定性地一步找到解。如果通過一步邏輯操作未能明確地發(fā)現(xiàn)解，則意味著該
問題無解。不難看出，Hogg搜索的效率遠高于上節(jié)介紹的Grover搜索。這兩種搜索的差別在于，Hogg搜索利用了數(shù)據(jù)庫的結構信息，因而能將一個NP問題轉化為P問題。而Grover算法解決不了N P問題，它相對于經(jīng)典搜索只是提高了搜索效率。Hogg搜索的另一個優(yōu)勢在于具有強的抗消相干能力。由于它的邏輯步數(shù)少，因而消相干效應對其影響非常小。
三、量子計算實驗
與量子計算理論方面的飛速進展相比，量子計算的實驗進展則要慢得多。本章主要介紹二種體系:核磁共振和腔與原子體系。
1、核磁共振(NMR)
核磁共振技術是目前在量子計算領域使用最為頻繁的實驗手段。運用這一技術手段，操作作用在1023數(shù)量級的分子系綜的自旋態(tài)上，通過測量，得到這些分子的平均自旋態(tài)。雖然每個分子的自旋都可能不盡相同，但通過spin-e2cho技術可以按我們的意愿改變個別分子的自旋方向。由于核磁共振體系實質上是一個宏觀系綜，因而外部環(huán)境對它的消相干的影響極小。且樣品的核自旋處于近獨立的狀態(tài)，幾乎不受電子和分子的熱運動的干擾。但是，宏觀系綜原則上沒有量子特性，只有純粹的量子系綜才具有量子純態(tài)的特征。只有當它被制備到一個特殊狀態(tài)—贗純態(tài)時，才能完成量子計算的工作。下面舉例介紹實現(xiàn)兩量子比特的Grover搜索的實驗。實驗中所用樣品為C-13同位素標記的氯仿HCCL3。實驗中用碳和氫的核自旋來標記|1>和|0>，其中13C的中心共振頻率約為125MHz，1H的中心共振頻率約為500M Hz。實驗體系的哈氏量為H=2πnhJ ICZ IHZ+PH
2、腔與原子體系
腔量子電動力學(C-QED)體系是另外一種可以進行量子計算的量子系統(tǒng)。腔量子電動力學體系之所以可以實現(xiàn)對兩位量子信息進行處理量子系統(tǒng)，一個重要原因就是腔中的輻射場與原子具有很強的非線性相互作用，這種相互作用的演化導致腔場和原子體系的本征態(tài)處于糾纏態(tài)。腔量子電動力學體系包含光腔和微波腔。這里我們主要介紹微波腔體系中應用Rydberg原子與微波腔相互作用實現(xiàn)的條件量子相移門(QPG)。條件量子相移門(QPG)需要對兩量子位的如下變換:
|a，b〉ex p(i，|b>分別代表兩量子位的基矢|0>或|1>，而δa，1，δb，1為通常的克隆尼克符號。條件量子相移門(QPG)在兩個量子態(tài)都處在|1>時，產(chǎn)生一個=|0>或1個光子的腔場|a>=|1>而，目標量子位是Rydberg原子的兩個能級|i>(定義|b>=|0>)和|g>(定義為|b>=|1>)。
實驗中應用的Rb原子的能級除了目標量子位兩個Ry2dberg原子的能級|i>和|g>以外，還包括一個相關的能級|e>。三個相關的Rydberg原子態(tài)分別代表Rb原子的主量子數(shù)n=51(|e>)，n=50(|g>)和n=49(|i>)。原子的能級|e>和|g>與微波腔場發(fā)生共振相互作用，而原子能級|g>和|i>之間通過另外的微波場產(chǎn)生耦合。當原子處于能級|i>或者腔場處于|0>，原子與腔場的系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生變化，而當原子腔場的初始處于|g，1>態(tài)時，控制原子的速度使原子|g>與|e>量子態(tài)在腔場中經(jīng)歷一個2π的拉比振蕩，|g，1>態(tài)演化為-|g，1>=exp(πi)|g，1>。因而系統(tǒng)的演化可以描述為:|a，b〉ex p(iπδa，1δ
b，1)|a，b〉這個過程實際實現(xiàn)了相移為π的條件量子相移門(Q P G)。
參考文獻:
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量子計算的特性范文6
[關鍵詞]物理學理論 計算機技術 量子計算機
中圖分類號：O4-39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0198-01
一、近代物理學理論的發(fā)展與現(xiàn)代物理學理論
現(xiàn)代物理學的發(fā)展即為19世紀至今，是現(xiàn)代物理學理論發(fā)展不斷壯大的時期。
當力學，熱力學，統(tǒng)計學，電磁學都發(fā)展的很完善時，有“兩個不穩(wěn)定因素”打破了物理界的當時的境況，推動了物理學的變革。第一個是邁克爾遜-莫雷實驗，即在實驗中沒測到“以太風”，也就是說不存在真正的參考系，光速與光源運動無關，光速各向同性。第二個是黑體輻射實驗，用經(jīng)典物理學理論無法解釋實驗結果。
20世紀初，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的物理學理論，提出了俠義相對論，徹底了之前牛頓提出的絕對時空觀的理論。十年后又創(chuàng)立了廣義相對論，闡述了萬有引力的實質。
物理學界的第二個穩(wěn)定因素――黑體輻射實驗，通過普朗克，愛因斯坦，玻爾等一大批物理學家的努力下，量子力學應時誕生了。隨著薛定諤波動方程解釋物質與波的關系，量子力學愈來愈趨于完善。
量子力學與相對論力學在現(xiàn)代物理學理論發(fā)展中是不可忽略的偉大成就。這兩個的研究的對象也發(fā)生了改變，由低速到高速，宏觀到微觀等，物理學理論也日趨成熟。
二物理學理論是計算機誕生的基礎
物理學作為理論基礎：隨著微積分、力學三大定律、萬有引力定律，經(jīng)典光學理論的建立，總所周知的一位偉大的物理學家――牛頓的整個力學的體系也完美的呈現(xiàn)于人們眼中。一對天才數(shù)學家布爾和德莫根歷經(jīng)無數(shù)次的推演證明，挖掘出了數(shù)理邏輯中那閃耀著最亮的光輝――布爾代數(shù)：電磁理論則是偉大的物理學家法拉第和麥克斯文創(chuàng)立的！而微觀領域上的量子力學經(jīng)由多位物理學家――德布羅意、玻爾、愛因斯坦、海森伯、薛定諤建立;還有電子三極管經(jīng)過無數(shù)次實驗也被德弗雷斯發(fā)明出來了。
上世紀40年代，200多位的專家研制小組由美國國防部任命的莫奇利和埃克特領導著并且克服了無數(shù)困難，兩年中堅持的開發(fā)創(chuàng)新，人類第一臺計算機――ENIAC（1946）在賓夕法尼亞大學研制成功！這不僅是第一臺電子管數(shù)字積分計算機更是人類文明進步的一大步。
隨著第一臺計算機的成功研制的第二年，一種不僅小而且安全可靠，又不會變熱，結構也什么簡單的晶體管在美國的科學家巴丁等人研制出來。德克薩斯一器和仙童公司也緊跟著飛速發(fā)展的科技的步伐，在1953年成功的生產(chǎn)出了首個集成電路。次年，得克薩斯儀器公司首先的宣布他們擁有了集成電路的生產(chǎn)線，這意味著集成電路可以大量的投入生產(chǎn)和使用，然后TRADIC――首臺晶體管計算機誕生了，這個在體積上要小很多的計算機就誕生了。
伴隨著集成電路的出現(xiàn)，第三代計算機則是誕生在60年代中期。同樣是由IBM公司生產(chǎn)出的IBN600系列計算機成為了第三代計算機的代表產(chǎn)品。早一些的INTEL8080CPU的晶體管集成度超過5000管/片，1977年在一個小小的硅片上就可包含幾萬個管子。
隨著時間的推移，以大比例的集成電路當作邏輯元件和存儲器的第四代計算機也向著微型或巨型改。計算機的處理器也由8086不停地在轉化，到了我們熟知的奔騰系列。
不管是計算機的理論基礎還是硬件設施，其實都是以物理學理論為根本的。物理學理論與計算機技術在未來的日子里互相補益，會不斷的推動科學向前飛速發(fā)展的。
三、計算機零件應用的物理學理論
液晶屏，一聽名字就可以想象得到它是以液晶材料為基本組件的。實際上液晶屏就是把液晶材料填充于兩塊平行板之間，并且利用電壓來改變其材料內(nèi)部的分子排列情況，控制遮光與透光以顯示明暗不同，鱗次櫛比的圖案。如果想要顯示彩色的圖案時，只要把帶著三元色的濾光層加入到兩塊平行板之間就可以了。液晶屏的廣泛應用還因為其功耗十分的低，應用電池的電子產(chǎn)品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固態(tài)與液態(tài)之間，那么就可以既體現(xiàn)固態(tài)晶體所有的光學特性，還可以表現(xiàn)出液態(tài)的流動特性。總結液晶的物理特性可歸納為：粘性、彈性和其極化性。
目前的CPU一般就是包括三個部分：基板、核心、針腳。大家都知道有一種電腦的硬件的組成的基本單位十分的重要，就是晶體管，而CPU的主要的組成也是晶體管。AMD主流CPU內(nèi)核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配備，通常采用3750萬個晶體管，而Barton核心使用了5400萬個晶體管，核心Opteron處理器使用多達1.06億個晶體管;。因此，實際上說的CPU核心構成的最基本單位就是晶體管的的芯數(shù)，針腳。所說的基板通常是印刷電路板，它承載著核心與針腳。然后該晶體管通過電路連接，成為一個不可或缺的整體，然后可以去分成不同的執(zhí)行單元，每個單元又可以去處理不同的數(shù)據(jù)，這樣有秩序的完成每個任務，才會準確而快速，這也是CPU為何擁有如此強大的處理能力的原因。
其實還有很多的零件都運用了大量的物理學理論。下面向大家介紹一下比較先進的計算機――量子計算機。
四、簡介量子計算機
從物理觀點看，計算機是一個物理系統(tǒng).計算過程是一個物理過程。量子計算機是一個量子力學系統(tǒng)，量子計算過程就是這個量子力學系統(tǒng)內(nèi)量子態(tài)的演化過程。
量子計算機以量子力學建立邏輯體系，與量子計算機有關的量子力學的原理，即量子狀態(tài)的主要性質包括：狀態(tài)疊加、干涉性、狀態(tài)變化、糾纏、不可復制性與不確定性。
量子計算機具有學術價值和產(chǎn)業(yè)價值不可估量。對人類的文明，它實際上是一個很大的進步，我認為最主要的方面則是它的工業(yè)價值。最直接的應用各種各樣的量子算法，他就可以用于商用化。
可以回想機器在20年前的悲慘境況和現(xiàn)在的春分得意，利用機器學習是很難在工業(yè)部門查找數(shù)值，因為計算能力的時候真的很爛。然后還要測試幾個月，誰還有時間來調(diào)整參數(shù)啊。而這兩十年間，計算機體系結構不斷的優(yōu)化下，機器學習強大了好多倍。想想看，如果我們比今天的計算能力更強大，我們無法想象一個強大的AI強量子任務不是指日可待？而當每家每戶都有一個量子計算機，互聯(lián)網(wǎng)將演變成什么形式？總之，商業(yè)量子計算機將是未來科技的發(fā)動機，就像蒸汽機是工業(yè)文明的象征，量子計算機的前景值得我們期待！
我國科技飛速發(fā)展的今天，我們不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代生活已經(jīng)步入了一個電子的天堂，計算機將會發(fā)揮它不可估量的價值，而作文計算機技術的支架――物理學理論也在不斷的發(fā)展著，這就要求我們在緊跟著的腳步，努力研究，發(fā)現(xiàn)問題、認識問題、解決問題，逐漸的將我們國力壯大，2020年全面建成小康社會。
參考文獻
[1] 王炳根.百年物理學發(fā)展的回顧與未來的展望[J].南平師專學報. 1997，04：11-14.
