量子信息与量子计算

1、关于量子信息与量子计算量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算,量子计算的基础原理以及重要量子算法为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。量子计算(quantumcomputation)的概念最早由IBM的科学家R.Landauer及C.Bennett于70年代提出，对于普通计算机运行时芯片会发热，极大地影响了芯片的集成度，科学家们想找到能有更高运算速度的计算机。到了1994年，贝尔实验室的应用数学家P.Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法确实有其实用性，绝非科学

2、家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名作为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振(photonpolarization)、空腔量子电动力学、离子阱以及核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)等等。以目前的技术来看，这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实上，核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点：以I.Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天，成功地在一个人工合成的分子中(内含7个量子位)利用NMR完成N=15的因子分解。到底是什么

3、导致量子如此高的计算能力呢？答案是量子的重叠与牵连原理的巨大作用。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个，而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四个数。量子位是量子计算的理论基石。在常规计算机中,信息单元用二进制的1个位来表示,它不是处于“0”态就是处于“1”态.在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“0”态或“1”态外,还可处于叠加态(superposedstate).叠加态是“0”态和“1”态的任意线性叠加,它既可以是“0”态又可以是“1”态,“0”态和“1”态各以一定的概率同时存在.通过测量或与其它物体发

4、生相互作用而呈现出“0”态或“1”态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位,例如氢原子中的电子的基态(groundstate)和第1激发态(firstexcitedstate)、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。一个量子系统包含若干粒子,这些粒子按照量子力学的规律运动,称此系统处于态空间的某种量子态.态空间由多个本征态(eigenstate)(即基本的量子态)构成基本态空间可用Hilbert空间(线性复向量空间)来表述,即Hilbert空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算,Dirac提出用符号x来表示量子态,x是一个列向量,称为ket

5、;它的共轭转置(conjugatetranspose)用x表示,x是一个行向量,称为bra.一个量子位的叠加态可用二维Hilbert空间(即二维复向量空间)的单位向量来描述无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编

6、码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与磁场相反，称为下旋状态。通过提供脉冲能量使电子旋转从一种状态变为两种状态，例如从激光。让我们假设我们用一单位激光能量。但是假设我们仅用半单位的激光能量并完全消除外界对微粒的影响将会怎样呢？根据量子理论，微粒将进入重叠状态，即同时处于两种状态下，每一个量子比特呈现重叠状态0和1。因此量子计算机的计算数是2的n次方，n是量子比特的位数。量子计算机如果有500个量子比特，就在每一步作2八500次运算。这是一个可怕的数，2八500比地球上已知的原子数还要多（这是真正的并行处理，当今的经典计

7、算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情）。但是这些微粒如何相互作用呢？他们通过量子牵连来做。量子牵连：在某点上相互作用的微粒（像光子、电子）之间具有一种关系，能够成对的纠缠在一起，这一过程被称为相关性。知道了纠缠在一起的一个微粒的状态是上或下的话，它同伴的旋转是在其相反的方向上。令人惊奇的是，由于层叠现象，被测定的微粒没有单独的旋转方向，而是同时成对的处于上旋和下旋状态。被测微粒的旋转状态由测量时间和与其相关的微粒决定，其相关微粒同时处于相反的旋转方向。这一真实的现象（爱因斯坦称其为“一定距离之间的神奇行为”），至今没有任何恰当的理论可以解释，只是简单的被接受着。量子牵连就是无论来自同一

8、系统的粒子之间有多远的距离都能同时相互作用（不受光速限制）。加拿大量子计算公司D-Wave近日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-WaveOne”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是Yes,youcanhaveone.”。其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion”（猎户座），不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。D-WaveOne量子处理器晶圆D-WaveOne量子计算机系统时隔四年之后，D-WaveOne终于脱胎换骨、正式登场。它采用了128-qubit（量子比特）的处理器，四倍于之前的原型机，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。不过呢，也别太兴奋，这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务，通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。D-WaveOne在散热方面的要求也非常苛刻，必须由液氦全程保护，但这至少比原型机离不开接近绝对零度的液氮好