量子计算机原理及问题浅探

1、 本科学生毕业论文（设计）题目(中 文):量子计算机原理及问题浅探(英 文):Discussion on the Principles andProblems in Quantum Computer姓 名喻聪云学 号9院 （系）电子工程系专业、年级物理学 2009级指导教师钟 锋2013年 5 月 15 日湖南科技学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文

2、中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 毕业论文（设计）任务书课题名称：量子计算机原理及问题浅探学生姓名：喻聪云系 别：电子工程系专 业：物理学指导教师：钟 锋2012年 11 月 30 日湖南科技学院本科毕业论文（设计）任务书1、 主题词、关键词： 量子计算机 消相干 量子原理 量子比特2、毕业论文（设计）内容要求： 20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。这一点也从根本上阻止了信息技术的发展。量子计算机的提出将为新时代信息技术的发展提供全新的方向

3、。在本毕业论文的设计中，我们在保证论文整体的科学性、论文内容的合理性及正确性的前提下，积极主动地发挥自己的自主创新能力，使论文富有创新性。同时要尽可能多的参阅相关参考文献，为论文的设计与写作打下重要的理论及实践基础。本论文拟研究的内容如下：（1）分析现有计算机与量子计算机的异同，针对量子计算与量子计算机的基本原理做简要介绍，解释量子计算机的基本结构和关于量子计算中的一些关键名词，以及分析实现量子计算的一些基本的步骤。 （2）分析量子计算机的优势，然后对量子计算机的发展历程与在发展现状做简要介绍，并针对如今的状况对量子计算机的美好的前景和广阔的未来进行展望。3、文献查阅指引：1昊楠，宋方敏量子计

4、算与量子计算机J计算机科学与计算机探索，2007，1，229-282；2管海明“有理分式公钥体制”，第五届中国信息与通信安全学术会议CCICS 2007，科学出版社2007，第52卷，第3期:665-671；3王士元量子计算改变未来J软件世界2006(21)；4王德奎环量子理论与三旋理论J凉山大学学报，2004.2.2001:16-19；5 陆晓亮，胡苏太，量子计算机的发展现状及趋势 高性能计算机发展与应用2006.1.第52卷:1943-1947；6李熙斌.柴路.张玉颖.李小英.王清月，基于光子晶体光纤关联光子对频谱特性的研究J.光学学报2009.5.第52卷，第3期:665-671；7朱丹

5、凤,周骥平,朱兴龙.量子遗传算法在机器视觉中的应用J 徐州工程学院学报 2007(6):3122-3125。4、毕业论文（设计）进度安排：第一阶段：2012年11月20日11月28日，选择指导老师，根据自己专长及以前学习的内容，初步选定论文选题范围；第二阶段：2012年11月28日2013年1月28日，与指导老师讨论后确定毕业论文写作的题目，制定论文写作计划和进度，下达毕业论文任务书；指导老师提供几篇主要参考文献，讲授查阅文献资料的方法，完成论文开题工作；第三阶段：2013年1月28日2013年4月20日，确定论文的基本目录结构，按该结构的章节安排写作论文，完成毕业论文初稿，交给指导老师作初步

6、审阅并作相关指导；第四阶段：2013年3月20日2013年5月3日，对论文整体进行详细修改，要求格式规范、无细节错误、内容前后通顺连贯、论据充分、结果合理等，最后在指导老师的指导和修改后完成论文定稿；制作论文答辩PPT，准备答辨；第五阶段：2013年5月3日2013年5月14日，完成答辩、论文上交和成绩评定。教研室意见： 负责人签名： 负责人签名： 注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目量子计算机原理及问题浅探作 者 姓 名喻聪云所属系、专业、年级 电子工程系 物理学专业 2

7、009年级指导教师姓名、职称钟锋 讲师预计字数10000开题日期2012.12.24选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解现在的电子计算机的发展已经取得辉煌的成果，计算机的能力也达到了一个前所未有的高度。但是如今的计算机已经在材料、能源等方面的发展上受到了制约，计算机技术在今后的发展必须突破现有的理论。与之而来的就是我们对量子计算机的研究。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。与现有的计算机技术相比，量子计算机有更强的运算能力，可以从根本上解决现有计算机在能源、材料上的制约问题，而且它还能支持许多

8、新类型的量子算法。自从最早由理查德 费曼提出量子计算机的理论以来，量子计算机已经取得了很多理论性的突破。一开始量子计算机的研究是从物理现象模拟而来的，可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。 对量子计算机的研究，在1980年代之前多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构

9、成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。 1994年，贝尔实验室的专家彼得舒尔（Peter Shor）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。 2007年初，加拿大公司D-Wave Systems 展示了“全球第一台商用实用型量子计算机”2009年，美国最先由理论构造现实，制造了世界第一台量子计算机。对量子计算机的研究将让我们更进一步的了解了微观世界的

10、规律。人类已经在量子计算机的研究领域取得了惊人的成绩。在未来的发展中，量子计算机终将会替代现有的传统计算机进入人们的生活。所以量子计算机的研究，量子计算机的发展和量子计算机的未来必须引起我们的注意了。但是由于现今阶段的困难，量子计算机真正春天的来临，还需要这个世界的继续等待。主要内容：本文首先将从量子计算机的基本原理入手，首先通过比较量子计算机与传统计算机的异同，在运算能力，能源消耗等方面通过比较分析得出量子计算机在未来计算和信息技术中的优势，还有将会从比较中得出量子计算机的结构与现有计算机的异同。然后将通过对量子计算机的运行的过程和运行的步骤的分析，来得出量子计算机运行过程中的一些基本的问题

11、和量子计算机运行的方式，从而得到量子计算机的一些基本原理与量子计算机运行的特点，并从运行的过程分析量子计算技术在现在阶段存在的一些待解决的问题。然后再通过对量子计算机的发展现状的分析，来得出现阶段量子计算机的在发展的过程中取得的一些进展以及它遇到的某些技术困难，并将着重的对消相干等困难进行分析，然后再对这些进展及困难做归纳总结，最后对量子计算机的未来发展与应用前景做出展望。研究方法：本文通过参考文献的引用进行理论分析，探讨量子计算机的基本原理，并阐述现今的量子计算机理论的发展状况及取得的成果。完成期限和采取的主要措施：完成期限： 2012年11月20日12月7日，根据阅读相关文献情况并结合导师

12、意见确定选题；2012年12月7日2013年1月5日，制定论文写作计划和进度、搜集和查阅相关文献、在拟订提纲的基础上完成毕业论文开题工作； 2013年1月5 日2013年3月20日，按照论文目录结构及格式规范写出毕业论文初稿； 2013年3月20日2013年5月3日，在导师指导下对论文格式及内容进行细致地修改，经导师同意定稿后打印出毕业论文； 2013年5月3日2013年5月14日，做好答辩前各项准备，完成论文答辩及成绩评定。主要措施：密切联系论文指导老师，通过当面指导、电话、短信以及电子邮件的形式与老师交流。虚心接受指导和建议，遇到不懂的地方及时请教老师。充分利用指导老师提供的参考资料以及中

13、国期刊网上检索下载的文献，结合本人对计算机技术的了解以及查阅文献，顺利完成毕业论文设计。主要参考资料：1昊楠，宋方敏量子计算与量子计算机J计算机科学与计算机探索，2007，1，229-282；2管海明“有理分式公钥体制”，第五届中国信息与通信安全学术会议CCICS 2007，科学出版社2007，第52卷，第3期:665-671；3王士元量子计算改变未来J软件世界2006(21)第52卷:1943-1947；4王德奎环量子理论与三旋理论J凉山大学学报，2004.2.2001:16-19；5陆晓亮，胡苏太，量子计算机的发展现状及趋势 高性能计算机发展与应用2006.1.第52卷:1943-1947

14、；6李熙斌.柴路.张玉颖.李小英.王清月，基于光子晶体光纤关联光子对频谱特性的研究J.光学学报2009.5.第52卷，第3期:665-671；7朱丹凤,周骥平,朱兴龙.量子遗传算法在机器视觉中的应用J. 徐州工程学院学报 2007(6):3122-3125；8王争,赵新杰,周铁戈,何明,岳宏卫,阎少林.约瑟夫森结(阵列)与谐振器的耦合效应研究J.低温物理学报；2010(1）:622-635；9 Thomas Young(托马斯杨). Experiment and problem in acoustic and optical aspectsM.1980(1）:143-155。指导教师意见：指导

15、教师签名： 教研室意见：签 名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时间2012.12.24地点三教104与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）孔永红副教授谭美华讲 师钟 锋讲 师高海峡讲 师尹鑫桃讲 师会议记录摘要：1、孔老师问：本论文的研究课题是什么？ 答：本论文的研究课题是量子计算机的基本原理语文题的研究，主要研究量子计算机的基本原理，量子计算机的发展现状与现阶段的问题。2、钟锋老师问：研究该课题有什么实际意义呢？答：现阶段计算机的发展已经受到了能源和材料等多方面的限制，而量子计算机的出现很好的弥补了这些缺失。而且量子计算机在运算能力与精度方面都远远超出了现行计

16、算机。按现阶段量子计算机的发展，它必然在不远的将来取代现在的计算机。3、朱湘萍老师问：你会从哪方面入手完成这个研究课题呢，主要用那些方法进行研究呢？答：从量子计算机的基本原理的分析、量子计算机的发展状况、量子计算机发展所遇到的问题入手，运用文字阐述的方法进行分析。会议主持人：记 录 人： 年 月 日指导小组意见负责人签名： 年 月 日系部 意 见 负责人签名： 年 月 日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份湖南科技学院毕业论文（设计）中期检查表毕业论文（设计）题 目量子计算机原理及问题浅探学生姓名喻聪云学 号9系 别电子工程系专 业物理学指导教师钟 锋检查

17、日期2013年4月11日指导教师检查情况记载及修改意见：1、论文初稿已经完成，态度非常认真；2、完成中期工作量，还存在不足，格式不够规范。3、论文的某些部分需要修改。具体修改意见如下：1、论文的摘要得更加完善，要体现论文的主要内容；2、论文的各种格式都需要注意，内容的排版不够规则；3、英文摘要存在一些语法错误；4、 参考文献应采用上标的标记、从他出引用的比较复杂难的内容请标明出处，也就是在该内容后面加上参考文献标识；5、 文中的图片尽量自己做出来。6、 量子计算机原理的介绍一定要精确，语句要简洁明了！签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业论文（设计）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时

18、用，由指导教师填写。湖南科技学院毕业设计（论文）指导过程记录表毕业论文(设计)题目量子计算机原理及问题浅探学生姓名喻聪云学号9专业班级物理学0901班指导教师钟 锋职称讲 师系（教研室）电子工程系指导过程记录指导内容记录(一)根据本人大学期间所学知识，指导老师帮助我选定论文题目-量子计算机原理及问题浅探，并提出毕业论文的开题报告的书写格式要严格遵循论文书写规范。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(二)老师对我的开题报告的部分进行了详细的指导，对开题报告中的选题依据与主要内容量子计算机原理提出了许多写作方面的要求与方法，并帮我对主要内容进行修改。 学 生 签 名

19、： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录（三)老师详细的对我文章的摘要、绪论与第一部分进行了指导，着重强调了一些绪论写作的方法与要求，并强调绪论是一篇论文的起始，一定要认真对待。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(四)老师对我的第二部分与第三部分的写作进行知道，要求论文中的公式、文体和内容一定要符合论文写作的规范。并教导我论文写作其实也是一个学习的过程。用心对待就能从中获益良多。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导过程记录指导内容记录(五)量子计算机原理的相关背景可做适当的介绍，相关原理的介绍还有带完善，要补充的内容还很多

20、，并要求我尽快的进行改正。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(六)老师对我的论文进行了中期检查，指出很多格式上的错误，对论文的整体的结构进行了指导修改。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(七) 论文定稿期，老师对我的论文进行了全文的通读，对其中的用词、语句、公式、图表等细节进行了修正，并指导我对论文进行更好的排版。学 生 签 名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日指导内容记录(八)最后阶段，老师指导我做好ppt，最后认真的做好论文答辩的准备，并对论文答辩的过程与答辩要注意的要点进行指导。学 生 签 名： 年 月 日 指导

21、教师签名： 年 月 日答辩小组组长意 见组长(签名)： 年 月 日注：本表与毕业论文一起装订存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）评审表论文题目量子计算机原理及问题浅探作者姓名喻聪云所属系、专业、年级电子工程 系 物理学 专业 2009年级指导教师姓名、职称钟 锋 讲 师字 数10000定稿日期2013.5.15中文摘要现如今的计算机技术已经发展到了近乎材料极限的地步了，于是随之而来的是对新型计算机的研究。从1981年费曼提出了量子计算机的基本理论，世界便走向了量子计算机研究的道路，在不断的解决发展过程中的难题的过程中，量子计算机正在一步步的向我们的生活走来。本文一共有三个部分总体的阐述了量子

22、计算机的基本原理与量子计算机在发展路途中的一下问题与现状。首先从第一部分介绍量子计算机的基本原理。是对量子计算机的基本原理的叙述，简要的分析了量子计算机运行的理论基础与量子计算技术中的一些基本方法；然后是第二部分，是来介绍量子计算机的发展状况与问题。 是对量子计算机发展过程中的一些困难的分析，和对现如今量子计算机的发展状态的研究与展望；最后是结束语。 是对量子计算机发展过程的一个总结和对量子技术的展望。关键词（3-5个）激光；晶体；相互作用；损伤模型。英文摘要Nowadays，computer technology has developed to the point of best mate

23、rial limit, then followed by the study of new type of computer. From 1981, Feynman puts forward the basic quantum computer theory, the world to the study of quantum computer road, in the process of problem solution and development, quantum computers are coming to our life step by step. In this paper

24、, a total of three parts of overall elaborated the basic principle of quantum computer and quantum computer in the development of transportation problems and current situation;The first part: the basic principles of quantum computing. It is the description of the basic quantum computer theory，which

25、is brief analysis of the theoretical basis of the quantum computer operation and some basic methods in quantum computing;The second part: the development status and problems of quantum computers. It is the analysis of some difficulties in the development of quantum computers, and the research and pr

26、ospect on the development of quantum computers now status;The third part: conclusion, which is a summary of the quantum computer development process and the prospect of quantum technology.关键词(3-5个)quantum computer；decoherence；quantum theory；quantum bit. 指导教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分指导教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题

27、符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及

28、相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 指导教师评审意见： 指导教师签名： 评阅教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分评阅教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专

29、业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪

30、器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 评阅教师评审意见： 评阅教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60

31、分以下记为不及格。湖南科技学院本科毕业论文（设计）答辩记录表论文题目量子计算机原理及问题浅探作者姓名喻聪云所属系、专业、年级电子工程 系 物理学 专业 2009年级指导教师姓名、职称钟锋、讲师答 辩 会 纪 要时间2013.5.18地点三教104答辩小组成员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）孔永红副教授谭美华讲 师钟 锋讲 师高海峡讲 师尹鑫桃讲 师答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：1、本论文的研究课题是什么？ 答：本论文的研究课题是量子计算机的基本原理语文题的研究，主要研究量子计算机的基本原理，量子计算机的发展现状与现阶段的问题。2、研究该课题有什么实际性的意义呢

32、？答：现阶段计算机的发展已经受到了能源和材料等多方面的限制，而量子计算机的出现很好的弥补了这些缺失。而且量子计算机在运算能力与精度方面都远远超出了现行计算机。按现阶段量子计算机的发展，它必然在不远的将来取代现在的计算机。3、研究过程中主要用那些方法进行研究呢？答：从量子计算机的基本原理的分析、量子计算机的发展状况、量子计算机发展所遇到的问题入手，运用文字阐述的方法进行分析。4、研究该课题你有什么收获？答：通过研究该课题，不仅让我对量子计算机原理有了一定的理解，还使我对量子计算机的发展状况以及发展方向有了大致的了解，并锻炼我的个人能力，对我将来的学习和工作都很大的帮助。会议主持人：记 录 人：年

33、 月 日答辩小组意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年 月 日系学位委员会意见评语：论文（设计）最终评定等级：负责人（签名）： 系部（公章） 年 月 日校学位委员会意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年 月 日目 录绪论错误！未定义书签。1 量子计算的基本原理21.1 量子计算机工作基础说明：21.2 量子比特问题41.3 量子操作的性质41.4 初态的制备41.5 量子算法51.6 关于克服消相干问题和它的克服方案62 量子计算机的发展状况与问题72.1 量子计算机对传统计算机的优越性72.2 量子计算机发展的现状82.3 量子计算机研制面临的技术困难82.4 量子计算机的应用前景1

34、02.5 量子计算机未来103 结束语11结论12参考文献13致 谢错误！未定义书签。插图索引错误！未找到图形项目表。图2 电子计算机的运作模型错误！未定义书签。图3 量子计算机的运作模型3图4 量子测量示意图5图5 量子计算基本原理6量子计算机原理及问题浅探摘 要现如今的计算机技术已经发展到了竭尽材料极限的地步了，于是随之而来的是对新型计算机的研究。从1981年费曼提出了量子计算机的基本理论，世界便走向了量子计算机研究的道路，在不断的解决发展过程中的难题的过程中，量子计算机正在一步步的向我们的生活走来。本文一共有三个部分总体的阐述了量子计算机的基本原理与量子计算机在发展路途中的一下问题与现状

35、。首先从第一部分介绍量子计算机的基本原理。是对量子计算机的基本原理的叙述，简要的分析了量子计算机运行的理论基础与量子计算技术中的一些基本方法。然后是第二部分，是来介绍量子计算机的发展状况与问题。 是对量子计算机发展过程中的一些困难的分析，和对现如今量子计算机的发展状态的研究与展望。最后是结束语。 是对量子计算机发展过程的一个总结和对量子技术的展望。关键词：量子计算机；消相干；量子比特；量子原理。Discussion on the Principles and Problems in Quantum ComputerAbstractNowadays，computer technology has

36、 developed to the point of best material limit, then followed by the study of new type of computer. From 1981, Feynman puts forward the basic quantum computer theory, the world to the study of quantum computer road, in the process of problem solution and development, quantum computers are coming to

37、our life step by step. In this paper, a total of three parts of overall elaborated the basic principle of quantum computer and quantum computer in the development of transportation problems and current situation. The first part: the basic principles of quantum computing. It is the description of the

38、 basic quantum computer theory，which is brief analysis of the theoretical basis of the quantum computer operation and some basic methods in quantum computing. The second part: the development status and problems of quantum computers. It is the analysis of some difficulties in the development of quan

39、tum computers, and the research and prospect on the development of quantum computers now status. The third part: conclusion, which is a summary of the quantum computer development process and the prospect of quantum technology.【Keywords】 quantum computer decoherence quantum theory quantum bit.绪 论电子计

40、算机已成然为当今科学和技术发展的强有力的工具，它已经直接影响到了各个领域的进步。而计算机的发展速度也非常的惊人。从1946 年第一台电子计算机诞生到现在，短短60多年内，计算机已经经历了5个阶段，无论在国防科技领域，还是在工农业、交通、教育和医疗卫生等领域，计算机都发挥出重要作用。然而计算机却在它的发展路途中遇到了困难。计算能力越来越强，计算机的元件尺寸却越来越小。目前的高级光刻技术可生产出尺寸达0.1lm 级的元件，这使集成电路技术逼近其量子极限。集成电路在尺寸在变得非常小时，物质将会服从量子力学的规律，电子的波粒二象性表现显著1，电子会变得极难操纵，从而可能会导致电路的故障。由于这时的单个

41、电子的位置变得难以确定，因此计算机的逻辑元件保持其数0或1的可靠程度便降低了。这就出现了能否依据量子力学原理设计一种新型计算机量子计算机的问题。在1981年，物理学家理查德费曼提出，人们能够研制出“遵循量子力学法则的微型计算机2”。他认为，“这样的量子计算机可能是模拟现实世界量子系统的最好方式。”自那时起，各国科学家一直在马不停蹄地研制量子计算机。而最开始对量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，目的是为了解决计算机中的能耗问题。随着计算机技术的飞速发展，计算机的小型化和集成化成为一个重要的目标，但随着芯片体积的缩小和集成度的提高，能耗对芯片的影响越来越大，能耗也制约着集成度，限制计算机的运算

42、速度。20世纪60年代，IBM公司研究室的Rolf Landauer发现：能耗的产生是由于计算过程中的不可逆操作。3在经典计算过程中要损失自由度，是不可逆过程，根据热力学定律，必然会产生一定热量。如果能把所有不可逆操作变成可逆操作，在理论上就可以实现无能耗的计算。这种可逆计算机的设想就成了后来的量子计算机。1 量子计算的基本原理1.1 量子计算机工作基础说明：作为计算机科学的开端：1936年Alan Turing提出图灵机的模型。同时期，Turing 和Church提出Turing-Church命题：There is Universal Turing Machine that can be u

43、sed to simulate any other Turing Machine 3 。这个命题可以释义为：如果某一个算法可以被一个硬件装置(个人电脑)所实施，那么，对于普适的图灵机而言，存在一个等价算法，它可以执行与这个个人电脑中所运行的算法相同的任务。Turing-Church命题的伟大意义在于，它引入了计算的普适性概念。这就是说，对于任意的可计算的问题，都可以用（图一）中所示的图灵机模型来进行求解。（图一见下图所示）Read/WriteHead0 11001图1 图灵机模型 （图一）电子计算机程序操作 输入 输出 图2 电子计算机的运作模型 （图二）电子计算机的运作模型如（图二）所示，设

44、f(x)是需要计算的函数，xi为函数的输入值，根据函数f(x)的性质设计运算程序用于操作电子计算机，最终输出所要求解的函数值f(xi)。量子计算机的能力其实并没有超出图灵机所能计算的函数的范围，它只是利用量子力学的特性，来提高计算的速度，进行更为有效的计算。量子计算机是一个个多体的量子系统，它的状态是由2N维希尔伯特空间中的矢量| 来描述的，量子计算运作模型是（图三）所示的。我们先设待计算的函数是f(x)，先由函数输入值xi来制备量子计算机的初态矢量|f(0)，依据量子算法来设计幺正操作程序，控制量子计算机的态矢量在希尔伯特空间中旋转，操作结束时终止矢量为|x(t)，对态矢|(t)实施量子测量

45、，最后获得输出值f(xi)。制备机初状态量子计算机机器末态相干测量幺正操作输入 输出xi |(0) |(t) f(xi)图3 量子计算机的运作模型 （图 三）为了让量子计算有效，量子计算机运作时应当满足下列四个基本要求：1、量子比特要有足够长的相干时间。事实上，外部环境不可避免地破坏着量子计算机的量子相干性，使它自发地向经典的概率计算机演化，这将导致量子计算失去其可靠性，甚至完全无法运作。2、必须具备完备的普适幺正操作能力。任何高维幺正操作均可通过分解成许多的低维操作来实现，最基本的幺正操作单元称为普适门。最简单的普适逻辑门的集合是单比特的任意幺正旋转和两比特的受控非操作。量子计算机应能对任意

46、量子比特精确地实施这些基本操作。3、必须具备初态制备的能力。因为所有的量子计算的出发点都是从纯态开始的，因此，我们得有给量子计算机归零的能力。为了不失一般性，就得在计算开始前,让所有的逻辑量子比特都置为|0。4、必须具备对量子计算机终态实施有效的量子测量的能力，来提取最终输出值。此时，量子的信息便转变成了经典的信息，由于人是生活在经典世界中的，而量子计算的最终目的是服务于经典世界中的人。1.2 量子比特问题光子、电子、原子核、量子点等一些两态的量子系统都可以作为量子比特的物理载体。我们都希望选做量子比特的两态系统是个近似封闭的系统，尽可能的与这两态之外的体系直接没有耦合，因为它同环境的耦合将导

47、致它的量子相干性消失。人们把量子相干性的消失称为消相干4。随着量子比特的增多，这种消相干会日趋严重5。消相干是量子计算在物理实现这一环节上的最大威胁，当消相干大到一定的程度时，量子计算将是无法实施的。目前，人们将从技术和理论两个方面努力来寻找克服实际物理系统中消相干方法。1.3 量子操作的性质在一个量子系统中，量子计算机在系统哈密顿量支配下按薛定谔方程进行演化。在执行量子计算中，必须能精确地控制系统的哈密顿量，来完成普适完备幺正操作中的任何一种操作。比如，单个量子比特由哈密极量H=px(t)x+py(t)y的支配下进行演化，6其中px与y(t)都是用经典方式所控制的参数，我们就是进行精确地调控

48、这种参数来操纵量子计算机态矢量的演化。量子计算中所有的量子线路都是通过单个比特任意旋转操作和两个比特的受控操作进行组合而成的7，即量子计算的幺正操作U可以分解为一系列普适门操作之间的连续作用： U|(0)=UNUN-1U1|(0)=| (x)式中Ui是一个基本普适量子操作。这就要求能够正确地寻址单个量子比特，然后精确地运用这些基本门去作用在单比特或两比特上。7表征量子操作性能两个重要参数是：(1)可以达到的最小保真度F，用于衡量操作的质量；(2)完成单个比特旋转或两比特受控操作基本运算的最长时间top，来用于描述操作快慢。若我们将系统的消相干时间定义为T，则T/top是一个非常重要的量，它表征

49、在系统的相干时间之内可以进行量子门操作的步数。往另一个方面讲，进行精确有效的量子控制(操作)与被操作的系统有长的消相干时间之间形成了一对矛盾。这是由于系统有长的消相干时间就是意味着系统很难同外界系统发生耦合，从而才能实施有效的控制。如何来平衡这对矛盾，找到适合实现量子计算的系统和适当的操控方式，这个将是一个长期任务。1.4 初态的制备初态的制备是为了可以重复地以高保真度产生一个特定的量子态|000，0。表征初态制备能力的两个重要参数为：(1)初态被制备的最小保真度Pin；( 2)Pin的熵，理想的输入态应是纯态，即熵是0。输出结果的测量：测量就是将含有多于一个量子比特的量子系统同经典系统相耦合，使之经过一段时间后，量子比特系统的状态被经典系统的状态所指示的一个过程，如（图四）所示。量子比特系