作业帮量子计算机发展的基本理论是什么?
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/05/15 05:01:45
量子计算机发展的基本理论是什么?
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量子计算机
在最近的nature 周刊上,来自美国标准技术研究院的Emanuel Knill,以问答的方式介绍了关于量子计算机的基础知识,并且对发展前景做出了展望.现综述如下：
在传统（或经典）计算机中,信息用0 和 1 组成的字符串表示（每位一个比特,不是0就是1）.量子比特与经典的区别在于,前者应用了叠加原理 ；以至于量子比特可以是0 和 1的任意组合,例如：W> = a 0> + b1> ,其中 a 和 b 分别代表相干叠加态中 0> 态和1>态的比例系数.与经典情况类似,量子比特也可以构成比特串.基于量子相干效应,满足 a^2 +b^2 = 1条件的系数取值有无穷多组,因此量子比特串所代表的信息得以大大丰富.量子比特的构成可以利用光子的偏振,也可以利用被捕获离子（或原子）的能级,还可以利用超导线路（其中包括与电荷量相关的Cooper对箱,以及与环流方向相关的左/右旋环流之叠加态）.对量子信息的物理操控,包括对量子比特状态的初始化、逻辑门控制以及状态测量等.对某些问题,量子计算机可以做得比经典计算机快.但对于 “词处理” 一类的问题,考虑到要另外耗费量子比特操控资源,量子计算机不具有速度优势.
关于量子计算,原本只有学术方面的兴趣.1994年Peter Shor设计了一个非常有效的量子运算法则,用于将大数分解成两个素数因子；之后引出了一系列有关使用量子系统求解 “甲骨文问题” 的研究成果.Peter Shor的算法可以轻易破解当今在互联网上普遍使用的通信密码,这使得圈内专家开始评估构建量子计算机的可行性.理论表明：如果使用量子计算机仿真模拟量子系统,其求解速度将以指数方式提高.此外,对于最佳化以及积分问题,量子计算机的加速能力也是明显的.为构建量子计算机,首先要求量子比特与环境隔绝,避免“退相干”.使用逻辑门操控量子比特是我们所要做的,但退相干则引入误差.
纠缠是指两个粒子密切相关.首先A粒子和B粒子必须分别处于叠加态,纠缠量子对的状态可（例如）表示为：状态AB> = 0A0B> ± 1A1B> 和 状态AB> = 0A1B> ± 1A0B> .更重要的是,如果我们对A粒子的状态进行测量得到的结果是0,则B粒子必将坍缩到 1> 态,反之亦然.利用相互纠缠的量子对,可以对信息传输进行加密或解密.然而,纠缠的应用对增强量子计算机的功能而言,尚没有圈内的共识.
对量子比特做出精确的物理操控,是量子计算机给出正确结果的关键.我们不可能纠正每一个可能发生的错误,最终的量子纠错测试应在一台规模化的量子计算机上完成.量子计算机出错的途径比经典计算机更多,纠错任务的完成要求附加许多硬件（如量子比特和逻辑门）.对于出错几率的上限已经有了一个共识,即应小于0.0001.目前,还没有足够精确的量子逻辑门被展示,这也是业界所面临的一大挑战.利用8个被捕获的离子构成8位量子比特串,在这台迷你尺寸的量子计算机（只能算得上是量子寄存器）上,研究者已经展示了它分解 “大数” 的能力（15 = 3×5）.预计,在极低温条件下被捕获的原子阵列（作为量子比特阵列）,将很快被用于量子过程的仿真模拟.Emanuel Knill乐观地估计,在他有生之年可以看到：能够完成有趣运算的量子设备.
（戴闻 编译自 Nature 463（2010）：441-443 ）