量子超级个人电脑(QSPC)光算机概论

量子超级个人电脑（QSPC）光算机概论。相关分类：电脑教程«上一页1234下一页»g950g950(组长)2007/9/11顶楼举报量子光算机

"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。当某个装置处理和计算的是"量子信息"，运行的是"量子算法"时，它就是"量子计算机"。"量子计算机"的概念源于对"可逆计算机"的研究。研究"可逆计算机"的目的是为了解决计算机中的"能耗问题(散热问题)"。

20世纪60年代至70年代，人们发现"能耗(热量)"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"。研究发现，能耗(热量)来源于"计算过程中的不可逆操作"。那么是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有"古典计算机"都可以找到一种对应的"可逆计算机"，而且不影响"运算能力"。既然计算机中的每一步操作都可以"改造为可逆操作"，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期"量子计算机"，实际上是用量子力学语言描述的"古典计算机"，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的"叠加性"和"相干性"。在"古典计算机"中，基本信息单位为"比特(Bits)"，运算对象是各种"比特序列(Bytes)"。与此类似，在"量子计算机"中，基本信息单位是"量子比特(quBits)"，运算对象是"量子比特序列(quBytes)"。所不同的是，"量子比特序列(quBytes)"不但可以"处于各种正交态的叠加态上"，而且还可以"处于纠缠态上"。这些特殊的量子态，不仅提供了"量子并行计算"的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与"古典计算机"不同，"量子计算机"可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，"量子计算"对"古典计算"作了极大的扩充，在数学形式上，"古典计算"可看作是一类特殊的"量子计算"。"量子计算机"对每一个"叠加分量"进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的"概率幅"叠加起来，给出结果，这种计算称作"量子并行计算"。除了进行"并行计算"外，量子计算机的另一重要用途是"模拟量子系统"，这项工作是"古典计算机"无法胜任的。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(quBits)"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(quCode)"方案是："量子纠错码(quECC)"、"量子避错码(quEAC)"和"量子防错码(quDMC)"。"量子纠错码"是古典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的"量子计算机"。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现"量子计算"，方案并不少，问题是"在实验上实现对微观量子态的操纵"确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了"原子"和"光腔相互作用"、"冷阱束缚离子"、"电子或核自旋共振"、"量子点操纵"、"超导量子干涉"等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像"半导体材料"对于目前"古典电子计算机"一样。研究"量子计算机"的目的不是要用它来取代现有的计算机。"量子计算机"使计算的概念焕然一新，这是"量子计算机"与其他计算机如："光计算机"和"生物计算机"等的不同之处。"量子计算机"的作用远不止是解决一些"古典计算机"无法解决的问题。想像口袋中装着超高速电脑是什么样子？「量子电脑」（QuantumComputer）有着比现在传统电脑强大许多倍的计算能力。至今理论研究已日趋完善，然而目前世界上还没有真正意义上的量子电脑，换句话说，可以实用量产的系统还未出。今年2月中旬，加拿大一家新成立的公司宣称推出全球第一台商用量子电脑，引起专家学者的质疑和议论。也不禁令人遐想，量子电脑的时代提前来临了吗？量子电脑是根据原子或原子核所具有的量子学特性来工作，运用量子情报学，基于量子效应构建的一个完全以量子位（quBits）为基础的电脑。位于温哥华的D-Wave公司宣称，该公司以量子学原理所研发出的电脑将比当今世上最优质电脑的操作系统快出许多倍来。这台名为「Orion」（猎户座）的电脑，使用传统的平版印刷术，搭配核心的一块超低温、超导铌芯片，可处理16个量子位（qubits）。核心芯片必须冷却至接近绝对零度(-273.15℃)，以便其计算过程中维持量子状态。该公司表示，这台量子电脑可同时进行6万4,000个运算程序。根据量子学定律，在电路图所流动的数位位可能代表的是0也可能是1，量子电脑有办法应付处理大量且更复杂的电脑指令。该公司的执行长贺伯·马丁（HerbMartin）表示，某些不同种类的问题是无法用数位电脑解决的。数位电脑很适于跑程序，量子电脑则对于应付大量不同的可变因素很在行。D-Wave公司声称其于2月13日展示的量子电脑原型是全球第一台商用电脑，内装有可以执行16量子位（qubits）的量子芯片。该公司计划在未来的18个月内，于2007年底将速度提高到（32qubits），于2008年将速度提高到（512qubits）到（1024qubits），并开始提供商业租用。量子电脑的外型长得如何？当前它的原型和大型的电冰箱一样大，温度更低。因为它所使用的超导体电路必须冷冻保存，以便大量的运算程序能够顺利进行。

量子电脑有什么用途呢？

贺伯·马丁表示，人类可以使用量子电脑来设计基因药物。（每个人体细胞有3亿个「基本成对数DNA」或者是着名「DNA双螺旋结构的梯」）；企业也可以用量子电脑来管理他们的产物供需链。马丁说：「想想看，倘若某家公司有40个工厂并生产了100万不同的零件，那么需要记录的事务可就不少了。」量子电脑亦可被用于维护安全。由于911事件，许多各国政府及公司都纷纷重视生物统计学，建立了大量有关他们欲追踪对象的图片、指纹以及其他多样种类方法的资料库(DB)。恐怖分子名单上的人，即使能安全地通过海关检查。藉由量子电脑基本上能够快速地藉由先前已由安全局输入的庞大资料库中来再次校对是否对方为恐怖分子。

马丁表示，该产品的推出证明量子电脑商业化这个技术的概念。D-Wave的潜在客户是商业界。商业界人士不在乎这个技术如何可行，只要能解决他们复杂的商业方式。商业用途的电脑不需要太花俏的技术细节。事实上，D-Wave的电脑是一台混血机种，使用传统数位电脑，搭配量子芯片做为加速器或者副处理器（co-processor）。后端是一台机架式电脑（rack-mountedPC）搭配处理器。主要的部分是这颗量子芯片，由铌铝超导材质制成，冷冻存贮在氦液桶中。量子电脑之所以能达到高速运算是因为他的基本资料单位为量子位（qubits），可以同时处理0和1，并快速处理所有的量子位（qubits）。目前我们使用的数位电脑计算一次只能处理一个资料位（databit）。

大多数的工程师都认为量子电脑的技术还有一段遥远的路要走。实用的量子电脑至少还要10年以上的时间才会问世才对。D-Wave公司于今年2月13日发表这台量子电脑原型，是通过网络连结的方式联机发表，更加引起专家学者质疑其真实性。美国宇航局（NASA）位于加州Pasadena的JetPropulsion实验室的工程师AlanKleinsasser于3月7日公开承认他们确曾为D-Wave量身订制一颗特别的量子芯片。对于NASA的Microdevices实验室（隶属于JetPropulsion实验室）工程师来说，接受客户委托开发超导体线路芯片是一件很平常的事。他们也曾接受委托替纽约的HypresInc设计芯片，也曾替欧洲太空局（EuropeanSpaceAgency）的希瑟（Herschel）任务制造宇宙飞船设备。

量子电脑是否真如D-Wave所言不久后就会在现实生活中上演了呢?大多数的知名电脑公司对此感到质疑。另有专家认为，如果真能有这样一台实用的量子系统，特别在财务系统的加解密还很脆弱的此时，这将是一项重要的技术突破。但专家同时认为，像D-Wave这样的小公司若真拥有这样的技术一定会积极发展，在他们获得技术解决方案的5～8年内，很可能被重量级的技术先驱如Intel和IBM网罗。利用量子电脑来「开创电脑新纪元」是世界上许多实验室热情追逐的梦想。D-Wave公司利用量子芯片和传统电脑结合以达到其商业化的用途，虽然离学术上的专业还有一段距离，但似乎预告量子时代提前来临的可能性。多数分析家表示，目前量子电脑的关键问题在对微观量子态的操纵困难。也许将来人类会发现一种全新的设计、全新的材料，就像"半导体材料"对于"古典电機计算器（ENIAC）"的发展一样。2008/1/9被g950g950最后编辑|查看全部g950g950(组长)2007/9/112楼举报量子资讯浅谈

由於科技日新月异，处理器的尺度越做越小、速度也越来越快。可是由於资讯的发达，人们对於尺度、速度的要求也相对的越来越高，也由於如此未来的科技也是必将趋向於小尺度的发展，但在越来越小尺度的同时也将会面临的一个问题量子效应。

今天信息科学在推动社会文明进步和提高人类生活质量方面发挥著令人惊叹的作用。但是现有信息系统的功能已接近於极限值。电子计算机在过去30年中，每个芯片上集成的晶体管数目随时间成指数增长，这个被称为摩尔定律的经验法则预示著，10多年以後计算机储存单元将是单个原子，电子在电路中的行为将不再服从经典力学规律，於是就提出量子效应究竟会对计算机运算速度产生什麼样影响的问题。因此信息科学的进一步发展必须借助於新的原理和新的方法。

由於量子特性在信息领域中有著独特的功能，在提高运算速度确保信息安全，增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，因而量子力学便首先在信息科学中得到应用，一门新的学科分支量子信息学也应运而生。该学科适量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的叠加原理为基础研究信息处理的一门新兴前沿科学。量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机、量子数据库、量子病毒、量子黑客、量子数据结构等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。

有朝一日量子电脑真的能成为事实，除了速度快以外根据科学家的推测，它的作业速度将等於现在你每天都在使用的「古典骗钱多(IntelPentiumD)、A钱多(AMD)电脑」40亿部同时使用例如：要完成一个64为数字的因子分解，即使现在的超级电脑也要花上比宇宙年龄还长的时间，然而原则上量子电脑却可以在短时间内求解这一问题，而且他还能做到许多当前电脑做不到的事。目前量子电脑已经由史前时代进入了实验时代了，人们在找寻更多适用於量子电脑的计算法则以能充分发挥量子电脑的功效。虽然我们还不知道量子电脑的研究何时才会变成工程问题，但是目前的成就已足使每个人振奋了。

读过费因曼(R.P.Feynman)的故事的人都知道，他也曾应聘於某电脑公司去设计电脑。物理学家怎麼也设计起电脑来了？原来当电脑越做越小、速度越来越快量子力学效应就不能不考虑了。50年来几乎每隔两年电脑速度就加快一倍。大家可以想想身边的个人电脑、从十几年前的频果二号电脑到现在的骗钱多核心就是一个例子。但是这个趋势会继续下去吗？总有一天路会走道尽头、无论如何快讯息传递的速度不会快於光速。

无论积体电路做得如何小，总不会小过原子。当这一天来临时怎麼办？这个世界将变成什麼样子？其实几十年前IBM公司的R.Landauer及C.H.Bennett就已经在考虑这个问题了。他们要问的问题是：到底电路原件最小可以做到多小？计算过程中最少要花多少能量？电脑无论如何也该遵守物理定律例如：热力学就告诉我们一个引擎的效率有一定的极限。那麼对於量子电脑，是否也有某些物理极限存在呢？80年代初期P.Benioff告诉我们原则上量子电脑是可行的。後来有英国的D.Deutsch及美国、以色列等的其他一些人也做过一些研究。不过80年代中期，这股热潮却又衰退了。主要原因是：他们研讨的量子电脑「非常的抽象」；讨论的问题总是一样。例如：贝尔不等式、多世诠释、EPR悖论等。而且迹象显示量子电脑很容易出错却不易修正（加上没有遇到神）。

量子法则

量子电脑的研究运用到了很多抽象的理论以及法则，在这里我们将讨论到一条重要的量子法则，这条重要的法则就是：物理时在具有无法消除的随机性，而且这种随机性是人们无法预测的，我们称只为不可约随机性。物理时在显现出至今尚未发现的法则所制约的随机性以致出现种种奇异现象，使研究这些现象的人都困惑不解，甚至连量子理论的先驱们都深感震撼和吃惊。宇宙为什麼会在其最基本层次上赋予我们这样一个无法排除的不确定性的根源呢？仔细的研读从最初的奠基人到现在的量子物理学家们的手稿，不难看出他们所流露出来的困惑和迷惘，他们无法相信世界会是这样构造出来的。然而量子理论仍是迄今为止最成功的理论。由量子理论所做的预言与实际测量的吻合，达到史无前例的精确程度。它的大多数违背常规的预言不断地为越来越多精巧实验所验证。量子理论为我们提供了对物理世界的正确理解。并且量子理论在更大程度上将成为新的高科技量子技术的基石。毫无疑问自然界是按照量子法则建立起来的。然而尽管量子力学已获得如此大的功劳，但对其争论仍不断持续著。有如此鲜明的世界怎会建立在无法消除的随机性之上呢？答案尚未曾明。但它的关键在於量子随机性的特质。

如果在分束器的两个输出方向上各放置一个光子计数器，并且调低输出光的强度，那麼我们会看到什麼现象呢？我们将会发现所测到的光的强度开始起伏。有时L探测器上纪录到的光子数会比U探测器上纪录到的多一些，有时则刚好相反。虽然这些起伏可能相较於每个探测器上全部的光子计数要小的多，但当我们继续调低光的强度这个起伏就会变的非常显著。在单光子水准亦即在任何一个给定的时间间隔内，我们至多只能纪录到一个光子，这时会出现这样的结果：我们根本纪录不到光子或者只有在U探测器上纪录到一个光子而L探测器上没有或者相反。每一个探测器上能否纪录到光子是完全随机的，就向投掷硬币出现正面或反面一样，即使我们完全知道输入光的所有情况，也不能预言哪一个探测器将会纪录到光子。如果我们在单光子的水准上一便又一便的重复这一实验，我们就会发现每个计数器上所纪录到的光子大致是全部光子的一半。在这里我们接触到了无法消除的随机性。为了解释这一实验，我们提出的观点是：当单个光子遇到分束器的时候，它将以相等的概率被反射或透射(这里我们假定了分束器并不吸收光子)。无论我们对输入光的情形了解的如何详细，都不能预言比这更多的内容。我们所能获得的全部知识就是这种奇怪的反射和透射现象。实际上我们已经具备了关於光和分束器的精确理论，这就是量子理论。也许你可能会认为，我们应当更多地去了解关於光子和分束器的情况，以便能预言单个光子的确切路径。也许光子可以分成两类，一类会分束器反射、另一类则会被透射。也许每个光子都携带著控制他们自身行为的某种指令，当他们遇到分束器时某种基因会告诉他们在这种情况下该如何行事，借助於这样的一种隐变量，我们当然就找到了解释光子在分束器上显现出的随机性行为的一种有效途径。倘若量子理论不能告诉我们这个隐变量是什麼，那麼量子理论的处境可说是岌岌可危了，但是事实却不然反而量子理论却是屹立不摇，既然量子理论是那麼的屹立不摇，那麼就一定有个合理的解释来说明隐变量，的确如此。

假定我们让一束光连续第通过两个分束器如图二所示。输入光束被分成相等的两束，每束光沿著两条分离的路径传播，直到再一次落到一个分束器上。我们称这两条路径中的一条为上路径(U路径)，另一条为下路径(L路径)。在经过第二个分束器之後，两条输出光分别落到一个光子计数器上，我们分别定为L和U。我们稍稍移动上方的反射镜来调整光学仪器内部的路径长度，适当的调整镜子的位置，可以使得仅有L探测器能够纪录到光强，反之亦可使只有U探测器能纪录到光强，关於这一点光的波动理论很容易透过干涉效应来解释这些现象，干涉是波动的本质特性，但是如果光是粒子的话我们能否对这一现象做出合理的解释呢？通常我们毋须这样做，因为实验所采取的光都很强，以致根本不必去探测单个光子，虽然不必去探测单个光子，但是我们可以使用单个光子来做实验。

现在我们调整角度使两个探测器的光强度达到总光强的一半，然後再调低光强达到单光子水准(这里我们假定了一分束器并不吸收光子)，现在假设每一个光子都携带著一个基因或称其为决定光子在分束器上是被反射还是被透射的隐变量。在图二中我们将会看到，如果它被第一个分束器所反射，那它也会被第二的分束器所反射，而导致被U探测器所纪录到。如果它是透射型的光子，最後也将被U探测器所纪录到。很显然的隐变数这种说法是不正确的。现在我们所面临的困难很明显的，在很低强度的输入下，我们每次只能计数到一个光子，每个光子在每一个分束器上的行为就像是在抛一枚硬币，如果它要与在高光强下的实验观察相符的话，实验输出还必须依赖於仪器的路径差，这样才能与光的波动理论相一致，而我们怎样才能把这种不可约的随机性同干涉联系起来呢？关键在於找到一种方法，使得概率依赖於路径差。通过对拉普拉斯规则和贝叶斯规则稍加改动，量子力学终於对此作出解释。首先概率不是最基本的，在一个更深层次上它是由概率幅所决定而概率幅是不像隐变量那样地。我们有两个概率幅(-1/2,1/2)和(-1/2,1/2)。两个概率和是(0,0)。於是合成概率幅的平方和当然是0，这表示该事件不会发生，尽管分事件中的概率不是0，而是由於我们实现了概率幅的相加，使得即使分事件中的概率不是0，合成事件的发生率仍可能为0。

量子纠缠

1982年在巴黎由AlainAspectc和她的合作者们所作的Aspectc实验解决了一个由爱因斯坦、波多耳斯基(BorisPodolsky)和罗孙(NathanRosen)於1935年所提出的问题。这三位学者发表了一篇已为现代人所熟知的题为EPR的论文。正是这篇论文引发了阿斯派克特(AlainAspectc)的实验动机，不仅如此这篇论文仍是当今物理学中一个非常活跃的领域的起因，同时EPR将我们的注意力引向令人困惑的问题：量子纠缠(quanturnentanglement)。

在一场爱因斯坦与玻尔就量子论的争论中，也许大多数的物理学家认为玻尔赢得了这场争论，但是对於爱因斯坦所提出的EPR理论，玻尔没能给出一个确定式的回答，玻尔在EPR论文中看到在考虑多粒子体系时量子理论会导致纯粹的量子效应。量子理论的又一个奠基人薛丁格，将这样的系统称之为纠缠系统。正是在这种纠缠系统中，量子理论关於实在的观点所表现出来的具有真正革命性的特徵变的越发明显。

在EPR论文中量子理论被应用到一个两粒子的系统。这两粒子在初始的某个时刻相互作用，然後它们被沿著相反的方向移开。在一时间之後，他们已经被分开一段非常大的距离，这两个粒子分别进入一个测量装置已确定每一个粒子的某一种古典性质。例如：测量每一个粒子的动量或者测量一个粒子的动量而测量另外一个粒子的位置。其中很关键的一点在於：由於这两个粒子在过去以某种特殊的方式发生了交互作用，所以这两个粒子的测量结果之间将存在著很强的关系。举例来说：如果发现一个粒子有特殊的动量，这对粒子中的另一个将恰好有一个与其大小相等方向相反的动量。由於存在这种良好的关联性质，换句话说我们只要给定一粒子的测量结果，我们就能确切地预言第二个粒子动量的测量结果。这听起来并不奇怪，而这种强关联的现象也引发了量子纠缠及其特殊作用隐形传送(teleporting)，稍後再做介绍。

在EPR论文中的粒子，我们可以做更多种类的测量，我们可以测其动量也可以测其位置，如果他们的动量是强关联的，那麼正如我们所期望那样，可以证明粒子的位置也是仅仅相关的。於是代替动量的测量，我们也可很好地测出它的位置。这对於EPR中的另一个粒子，我们可以不经任何方式的相互作用，就可以确定地预言它的位置，这样看来似乎没有任何奇异之处。但是量子理论的一个重要理论是：对於单个粒子，不存在著在这个状态中的粒子有著精确的动量值同时又有著精确的位置。这一结论称之为不确定性原理(uncertaintyprinciple)。关於这点又将如何回答呢？传统量子力学的回答是使用了一种所谓条件态(conditionalstste)的概念。某个粒子的态完全地描述了粒子的制备和系统的各个细节，它使我们决定对这个系统实施测量所能得到的结果。这隐含著如果我们制备了一大批处於相同态的粒子，这个状态有著精确的位置但我们不是去测量位置而是测量动量，那麼我们就会得到一大串不同的数据相反地也是如此。但是从量子的思路来思考，他们认为EPR方案的问题在於：如果我们选择粒子的位置进行测量，并得到一个结果，那麼它的另一个相关联性的粒子的条件态必须做出相应的改，以体现出我们已获得的知识和我们事先了解到的粒子之间的关联。但是如果我们选择对第一个粒子的动量进行测量，它的第二个粒子的条件态就会与位置的条件态不，也就是说：它现在处的是一个有确定动量的态而不是有确定的位置。然而无论是玻尔还是爱因斯坦都没洞悉他们所讨论的纠缠态的全部涵义，经过数十年的努力之後这些含义才逐渐被挖掘出来。

在这里量子纠缠描述了对两个粒子实施局预测量(localmeasurement)其结果之间的关联并不能由通常的概率理论来解释，然而对大纠缠态而言对其实施的局域测量其结果是完全随机的。当中定义纠缠的关键因素是实现关联的两种不同路径的概率必须由两个有著相同长度但可以有不同指向的概率幅所决定。

隐形传送

1993年3月PhysicalReviewLitters发表了一篇引人关注的论文，其题目本身就使人难以置信：隐形传送(teleporting)这个词听起来有点不寻常。然而这篇文章所揭示的正是这样一个令人惊异的事实：通过局域的测量和古典通讯一个处於为费曼规则所描述的态上的粒子，在某地经受到一次测量，而在另一个地方的另一个粒子依照所收到的古典讯息，可以将自己变换成与原来粒子相同的态。同所有的量子方案一样，这一方案也是利用了量子随机性的奇异特性。现在我们来介绍隐形魔术Bob和Alice分别工作在两个离的非常远的实验室，他们彼此之间不实地发送量子粒子以取得连络。现在Bob制备了两个处於量子纠缠态的粒子，它们具有两种不同的磁化方向，上和下。现在Bob又制备了一个粒子，称它为控制位元，当Bob要传送一个未知态的粒子给Alice时，Bob可对这一未知态的粒子来做操作，未知态的粒子随著操作的同时便会消失，然後Bob透过一个古典频道来告诉Alice如何操作便会得到Bob所要传给Alice的这一个未知态，当Alice再依Bob所告诉她的操作过程反操作，这时便会得到Bob之前所要传给她的这一个未知态的粒子。隐形传态表明了当我们希望发送量子位元讯息而不是一般的位元讯息时，纠缠粒子可用来作为一个非常有用的通讯源(communicationresource)。

三种主要实验方法简介

1.光腔QED方法：光腔QED方法是最早提出的实现CNOT门的方法，它利用的是原子与光腔光子的相互作用。原子的高里德柏能级、光子偏振都可以作为量子位，量子位间的耦合通过原子与光腔作用或光子与光腔作用实现，这种方法的主要问题是很难实现量子们之间的连结，而且超导光腔需要极低温，因此这并不是实现量子计算机的最佳方案。但是光腔QED方法在量子通信领域有著广泛的应用，量子远程传输实验的成功使量子通信达到了接近实用的地步，最近又实现了原子的EPR对使量子通信得到了进一步的发展。

2.离子阱方法：离子阱方法用束缚在冷阱中离子的超精细结构能级作为量子位，用两束频率相差很小的激光诱导拉曼跃迁来控制量子位的状态，调节激光的作用时间，可以实现对单量子位态的任意旋转操作，离子通过相互间的库伦力耦合而成集体震动，不同的振动模式用不同的声子态来表示，激光作用时与离子水平振动方向有个夹角，这样激光的作用能同时影响离子内部的能级和外部的集体振动，从而使两者耦合起来，通过离子的水平集体声子振动，量子位之间实现了纠缠，离子阱方法的优点是可以直接实现"多控制位非"门(contronl-not)操作而不必用单量子位门和CNOT门去组合。但是由於多个离子规则排列和多位激光寻址等技术上的困难，很难实现很多量子位，实验上做得到的是利用一个离子的内部能级和外部振动态作为两个量子为实现CNOT门。

3.块体核磁共振方法(Bulk-NMR)：块体核磁共振方法是利用核自旋在磁场中的塞曼分裂作为量子位，对量子位的操纵由射频场完成，利用不同的核磁共振频率，可以对不同的量子位进行操作，与前面两种方法相比Bulk-NMR方法不是基於单原子(光子,离子)的，在这种方法中量子位是分子中原子的核自旋，不同原子的核自旋代表不同的量子位，而量子位的态是由大量同种分子的统计性质来表现，某一个量子位的态由相应原子的核自旋相互作用，这正好可以使量子位间产生耦合，得以实现CNOT门。Bulk-NMR方法的优点是利用了大量分子的统计性质，因此受外界干扰小，退相干时间长而且实验可以在室温下进行，目前已经实现了2个量子位的计算机，并实现了最简单的Deutsch算法[18]及Grover快速查找算法，它的缺点是不能实现较多量子位，随著量子位的增多，分子的选择、量子位的寻址、讯号的读出都将发生困难，从目前的发展来看还做不到6个以上的量子位。

三种主要实验方法比较

介绍的三种实验方法各具特点(见表一)但共同的缺点是无法实现大量量子位，因此它们只能用来进行一些元理性的研究，而不能作为建造实用量子计算机的基础。三种实验方法的比较：

1.光腔QED方法：优点为理论较为成熟、在量子通信领域有较大的发展；缺点是量子门之间不易连接、需要低温条件实验上做不到很多量子位。

2.离子阱方法：优点为可以直接实现contro-not门；缺点是易受干扰、需要低温条件;多量子位有困难。

3.核磁共振方法：优点为受干扰小实验可在室温下进行；对於多量子位存在理论上的困难。[/color][/b]

综合以上的研究，人类在20世纪虽然能够精确地操控航空飞机和搬动单个原子，但现在却仍未能掌控操控量子态的有效方法。在21世纪人类正积极致力於量子技术的开发，推动科学和技术更迅速地发展，相信未来的某一天中能实现我们期待著。

名词解释

01.贝尔(Bell)态：两个物理系统所处的四种方式对应的四种不同的具有强关联性质的量子态，古典上要想做到这一点，只存在两种形式或者两个系统处於相同的状态或者处於不同的状态。然而由於量子态对应的概率幅可正可负，使得可实现状态的数目增加了一倍。

02.贝叶斯规则：一个以两种不可区分的途径发生的事件，欲求其发生的概率可以先分别考虑每一条途径的概率再将其求和。

03.位元：二进制码的一个二进制数位。

04.不确定性原理：由於不可消除的随机性进入量子物理而导致的一个基本结果。不确定性原理暗示著不可能将系统制备到一个使得所有可能的测量结果都确定的状态上。

05.CN门：受控非(Controlled-NOT)门、也叫异或门，作用於两个二进制位(位元)。一个位元作为控制位元，另一个作为目标位元。控制位元从不发生变化，但若控制位元为1，则目标位元反转(0→1,或1→0)。

06.超级电脑：1996年12月16号英特尔(Intel)公司与美国能源部(DOE)联合，宣布他们新近建成一台「超级电脑」。这是第一台达到每秒一兆次运算的电脑。

07.叠加：如果一个系统的一个物理态可以以多种不同的并且是未知的途径实现，则此物理系统实际的态就是这些不同途径的叠加。对於实现这个物理态的每一条途径都对应一个不同的概率幅。叠加原理是量子理论的一个基本特徵也是费曼规则的另一种表述形式。

08.二进制码：一种表示讯息的编码系统，在形式上只用0和1两种符号。

09.EPR佯谬：是指A.爱因斯坦、N.罗孙和B.波多尔斯基在1935年发表的一篇论文。论文的本意是想利用纠缠态来揭示：如果赋予物理态以古典解释的话，量子力学是不完备的。这是第一篇揭示量子纠缠奇妙性质的论文。

10.费曼规则：对於一个可以经由两条或更多条不可分辨的途径发生的事件，其概率幅等於各条途径的概率幅之和.在量子力学中费曼规则取代了古典概率论中的贝叶斯规则。

11.分束器：一种将入射光束分成等强度的反射光束和透射光束的光学装置，并且在分束过程中光的总强度不衰减。

12.概率幅：量子物理预示著宇宙带有不可消除的随机性。这一理论使我们得以计算一个给定观察的概率。然而这些概率在最基本的层次上为概率幅所决定且概率幅不必要是正定的。实际概率可通过对概率幅平方而得到，它必然是一个非负数。

13.自旋：自旋是一个与物理系统的旋转对称性相对应的物理量。它不能为古典牛顿物理学所预言，只是量子世界的一个新特性。在某种情况下，自旋只能取两个分立的值。

14.偏振：在古典物理学中，光是一种电场和磁场的自激波。在真空中电力垂直於光束的传播方向。电力所指的方向称为(光)波的偏振。

15.平面偏振：如果一束光的电力方向始终平行於一个固定轴，且垂直於传播方向则这束光处於平面偏振。

16.因子分解：寻找大整数的质数因子。如果这个数有许多位这将是一个非常难以求解的问题。但是检验因子分解是否正确要比寻找质数因子容易的多。这种单向性质使得因子分解成为密码学的一个重要工具。

17.光子：爱因斯坦通过假定光是以分立的全同波包(即光子)的形式传递能量，从而解释了光电效应。光的频率决定了每个光子的能量。光强决定了光束中光子的数目。

18.纠缠位元(ebit)：一个纠缠位元就是对一个两系统的量子纠缠态的一部分做测量，由测量结果(是,否)所获得的二进制数。

19.量子位元：一次测量如果等可能地产生两种相饬的结果，就需要一个位元的讯息来存储这个结果。然而在一个量子态中，两种互斥结果可以用两个概率幅来编码。在这种情况下这个量子态就编码成了一个量子位元，而它在实验上并不同於一简单的硬币投掷。

20.量子纠缠：如果一个物理系统由若干个相同的子系统构成，子系统之间存在关联，并且这些关联通过两种或更多种途径实现，则这个复合系统处於一种由不同途径关联在一起的叠加态，这个态被称为是纠缠的。纠缠是量子物理的关键特徵，这使得量子计算比古典计算强大的多。纠缠所导致的物理影响仍然没有完全弄清楚。

21.量子理论：量子理论指出物理世界是不可约地随机的。即是说对於一个物理态无论我们对其了解的如何详尽，都无法使得对这个态的所有可能的测量都具有确定的结果。并且测量结果的怪异性质不能由通常的概率规则给出，必须基於概率幅的概率计算。2007/9/14被g950g950最后编辑|查看全部g950g950(组长)2007/9/113楼举报用脉冲光加速量子电脑

量子电脑现在又离我们更进一步罗！密西根大学的研究员们发现了一个新的方法来操作量子位：藉由现在已经实现的光通讯技术，他们可以使用脉冲光来控制量子位，并藉此加速量子电脑的运作速度。剩下的像几秒钟就可以破解一般电脑算到死的密码啦、同时多重运算啦的优点我们就省略了。加油吧！科学家们，前进吧！黑客们！密西根大学科学家已经发现一种在密码术方面轻的突破性的利用的方法。这种新技术能在微微秒破解复杂的代码问题。科学家相信如果利用这种技术在当今的解决办法上、提供很多改进会造成国家和个人安全威胁。过程与相干光的极其短的脉搏有关、被发出并且与东西相互作用的"量子小圆点"。量子小圆点是神秘的"科学绒毛"对大多数人来说他们是很难理解的：基本上他们是对零敏感且非常小的结构。在调整频率和移相光在一个更多的复杂系统内时，梁本身形成一种"光网络"有计算能力、它经过量子小圆点。

当最后的创立学说的设备被建造，潜在需要数千个量子小圆点(精确的数目现在是科学辩论的问题)时,轻的梁本身将被相当于一个疑问译成代码。这有点象是factorization号码或者数列对"查找"。那时"送"对全部可能的答案到被计算的量子小圆点。答案然后立即"读"在远的边上。通过编码顺序在以这种方法的排序之后，甚至极其复杂的问题，今天使用古典超级电脑可能要花费许多年才能解决的答案，可以被在几微微秒钟内计算完毕。

这种特别的方法的一个优点是他是用非常廉价的二极管激光用来作光源。可持续超频的热量比率大约是：一个1000GHz处理器所产生的热量相当於在1.4GHz处理器下操作的频率所产生的热量。使用这项技术的将来的设备可能由于极其低的热能生产被用来作为3维阵列来建立。只有一个单个的光子被要求做光门(qubit)接通。用来接通光门(qubit)的能量是10-18焦耳。换句话说：在1GHz操作只需要一瓦特的1billionth。在这个地区的研究的一条竞争的线接近来自被困住的离子(朱蕉)在大的真空里操作，相信虽然它的计算能力是比用这种方法低的几项重要的命令，但是离子(朱蕉)将对于最初成功证明是更可能。是这个解决办法的结果的最后的产品有作为核心的技术的等价物2种双或者Opterons的能力作为，与ENIAC相比他们有更多的资金在这间实验室里工作。

研究人员目前正着手做这项技术的将来的用途。这些包括"穿的量小圆点说明激光，光学调制器和量逻辑设备"将作为可行的将来的量子计算机的基础。国家安全代理(NSA)提供资金给这项工程、军队研究室，科学研究的空军办公室和海军研究实验室。适合这那些研究工程被因为邓肯钢和3位高级研究人员以及十位大学生来进行实验。调查研究工作被展开并且分布在不同的场所。圣地亚哥大学处理理论。海军研究实验室处理量子小圆点物理学。并且密西根大学着手做计算部分。大家的共同努力将继续在实际应用里使用的量子小圆点的数量直到被发现成功为止，美国在这项工程提供资金方面大约每年花费800，000美金。2007/9/14被g950g950最后编辑|查看全部g950g950(组长)2007/9/114楼举报光算机（opticalcomputer）

利用光线而不用电流的计算器可以每秒处理一兆次运算，关键部分──模拟电晶体的光学设计已经完成。过去四十年来，数位计算器的发展是如此紧密地与电子技术关连在一起，以致于人们认为计算器必然是电子元件组合而成。事实上，计算器用来执行任务的算术及逻辑运算也可用许多其他的方法来达成。自1970年代中期，以镭射光束来代替电流传递信号的可能性日趋厚厚。能够比电子计算器快一千倍是开发这种光算机强而有力的诱因。能够传递两种不同状态的开闭元件（switch）是任何数位计算器的基本元件。计算器运算的速度受限制于开闭元件改变状态所需的时间。事实上电子计算器所有的开闭元件都是电晶体，而现在所用的电晶体最快的也无法在快于10-9秒内改变状态。而一个模拟电晶体功用的光学设计却能在10-12秒内改变状态。我们曾发展出实验性质的「光晶体」（optiualtransistor），那是用入射镭射光束的微小改变来决定元件的开或闭。这「光学电晶体」我们称之为「转相器」（transphasor），是利用某些晶体的特殊性质：当光强度增加时折射率会改变。藉着正确地选择晶体及镭射波长，利用折射率的改变，透射光强度会因入射光的微小改变而有巨大改变的元件可以被制造出来。实验性的设计曾达到状态交换的时间为几个10-12秒。光晶体固然可以用来建造原理与目前电子计算器相同但较快速的计算器，而在较远的将来它可能会改变计算器本身的结构。每一个单独的光晶体能够同时做许多个开闭工作，而电子元件一次只能处理一个信号。更有甚者，随着入射光束的逐渐增加，这种晶体的输出可以被转换至更多高阶的状态。相较之下，用在电子计算器的电晶体只有两种输出状态。这种超过两个输出状态之设计的采用，将会导至一个新的计算器逻辑系统的产生。除了光晶体外，建造光算机还需要许多线路元件。在Heriot-Watt大学的实验室，我们曾以试验的形式证明许多需要的元件可制成光学积体线路。这样的积体电线路在被商业化制造之前，尚需克服若干技术上的困难。可以预见，在很短的时间内，光算机将成为很具吸引力的发展园地。

开闭元件的作用

在一般的应用上，计算器的三种基本功能是算术运算、逻辑运算及资料的存贮。这些全都是由含有两个稳定输出状态的元件所达成。在算术运算中，这两个状态代表二进位系统的「0」和「1」。在判断逻辑的命题时，各代表「真」与「伪」。算术与逻辑运算的结果是存贮在特定的记忆元件中（记忆元件的状态保留原结果的状态）。用二进位系统，一计算器用来判断命题真伪，只用三个「逻辑函数」。它们经常被称为「及」函数（AND）、「或」函数（OR）和「反」函数（NOT）。在「及」函数，一个叙述所有的部分为真时，叙述方为真。在「或」函数，只要叙述中任何一个部分为真，叙述便为真。在「反」函数中，一个叙述的「真假值」被掉换。更复杂的运算例如加减法运算，都能用这三个基本函数建构起来。一个计算器必须具备能以物理形式来代表0与1或真与伪的元件，且这些元件要能够组成执行三个「逻辑函数」的较大零件。这些元件显然要有两个能够容易分辨的输出（两个状态）。如果计算器要快，则状态交换的时间要短。再考虑其他因素，一个最好的开闭元件应是体积最小、最易于制造、且消耗最小功率。第一个实用的电子开闭元件是真空管，慢而且大，产生相当的热量，影响使用寿命。所以用真空管做成的计算器，体积大而计算能力小。1947年发明的电晶体，提供了较小、较快、较有效率的开闭元件。它最简单的形式是三层半导体。最外面两层分别叫射极、集极，中层叫基极。当自基极流入集极的电流有微小改变时，导致射极流入集极电流大的改变。集极的大电流可用以代表1而小电流代表0。与其他电子元件配合，能组成执行「及」、「或」及「反」函数的结构，称为逻辑闸。如果所有的输入都是大电流，「及闸」才输出大电流。只要有一输入是大电流，「或闸」便输出大电流。输入大电流，「反闸」输出小电流；输入小电流，「反闸」输出大电流。

电晶体的极限

半导体「逻辑闸」操作所需时间自10-9～10-6秒，视其大小、材料、设计、状态交换功率而定。理论上最快能在每一秒内做十亿次运算。实际上的速度则远比这要慢许多。以物理学做基本分析，目前所能达到的最短交换时间，已接近半导体所能达到的极限了。要完成交换作用，电流必须穿越基极。电流通过半导体的速度有着许多限制。减小基极的宽度可以减少交换的时间，但基极能做到多薄是有限的。目前这极限已经达到了，因此交换时间显着的降低，将不会来自电晶体设计上的微小改变，而将来自新的交换技术。一个改变的可能性是以其他的媒体取代电流来携带信号。任何信号所能达到的最高速度是光速，故光或电磁波是最合适的候选者。我们已利用聚集的镭射光束来操作具有许多电晶体功能的开闭元件。这个设计可在两个明显的输出状态间交换。它们可以做成记忆元件，藉着适当的选择材料及镭射光束，可以组成快速、简单的「逻辑闸」。

干涉计

光晶体的起点是精巧而广泛应用的法布立-拍若干涉计（interferometer）──由法国物理学家法布立（C.Fabry）及拍若（A.Perot）于1896年所发明。最简单的干涉计是由两面镜子，隔一距离平行排列，再将能使某特定波长的光能透射的材料置于两镜间的空隙而成。［此一空隙被称为「洞」（cavity）］。每一面镜都可使部分光线反射，部分光线透射。现在暂且不管「洞」的材料，而考虑一束光撞击到干涉计第一面镜时的情形。我们假设此镜反射90％的入射光，而让10％的入射光通过。（这样的比例相当接近于我们所真正使用的。）现在透射过的部分以原来1/10的强度进入干涉计内部，称为「前进光束」，进行至后一面镜子。后镜与前镜的性质是一样的。在后镜90％的「前进光束」被反射回「洞」中，成为「反转光束」，有10％透射到干涉器外（见图一）。

由于「前进光束」是原入射光束的1/10，故透射到后镜外的光强度是原入射光束的1/100。这「反转光束」又回到前镜，再被分成反射及透射光束，余留在洞中的光一直不断的反射、透射着，越来越微弱，直到所有的光都逸出「洞」外为止［见图二(a)］。

洞中的干涉

如果上面所提的就是所有有关干涉计的事实，则干涉计对光学计算器并无所助益，它的透射强度只能由改变镜片的性质来改变。但事实上，「前进光束」及「反转光束」并不能像(图二a)所画的一般，彼此能清楚的分开。在真正的干涉计中，它们彼此互相作用，影响「洞」中的光强度，也影响透射率。如果入射光垂直进入前镜，则光将不会折曲，所有的光将在同一路径上。「洞」中有许多被前、后镜反射回「洞」的光束，现在我们只考虑其中两条：「前进光束」及「反转光束」的交互作用。干涉的结果由彼此的相位差来决定。波峰对波峰、波谷对波谷的重叠是建设性干涉，波峰对波谷的重叠是破坏性干涉，自然在那两极端之间的相位差也是可能的。合成光波在洞中任一点的振幅是所有成分光波在该点振幅的总和。干涉对透射的影响是林林总总而非单纯的。如果是完全破坏性干涉，洞中的光强度将为零(见图二b)。如果是完全建设性干涉，则洞中光强度将十倍于入射光。既然后镜透射1/10的光，在「完全建设性干涉」中透射光强度将等于入射光强度(见图二c)。

折射率的效应

相位差及透射率可由调整波长及「洞」的长度来改变，但两种方法对「光学电晶体」均无甚价值。最重要的是，相位差也可用改变「洞」中材料的光学性质来改变，这是到目前为止我们一直没提到的。折射现象是大家所熟悉的。折射起因于光在不同介质中有不同速率，折射率就是光在真空中速率对光在介质中速率的比值。在介质中，随着波长变短而速度变慢，频率并不改变。藉着材料折射率的改变，而改变波长，我们可改变洞中光束的相位差。适当选择材料折射率，「洞」中光束可以形成建设性或破坏性干涉。在分析光学系统时，有一重要的量称为「光学路径长度」（opticalpathlength）或简称「光学长度」（opticallength）。在干涉计的「洞」中，它的「光学长度」是实际长度乘上材料的析射率。当「洞」的光学长度等于入射光半波长的整数倍时，将会有完全建设性干涉。当然有许多可能的「光学长度」可以产生完全建设性干涉。当光学长度为两个连续半波长的整数倍的中间值时，会有完全破坏性干涉，于是透射强度随着「光学长度」而改变。透射率与「光学长度」的关系可由一个称为Airyfunction的函数来描述（见图三）

这在「光学电晶体」建造中相当重要。在我们建造的法布立-拍若仪器中，在每一个对应于整数倍半波长的点都含有一个陡直的高峰。在两高峰间的函数值相当低，且变化非常缓慢。因此，直到「光学长度」达某一临界值时，透射强度才急遽地增加。我们可以改变「洞」中材料来改变透射率，当然这对光学开闭元件的状态交换来讲是个笨拙的方法。然而在十九世纪，这被认为是改变折射率的唯一方法。马克士威在关于电磁辐射的着作中，假定折射现象及其他光与物质的交互作用不受辐射强度的影响。如果这是真的话，则干涉计的输出会与入射强度成正比。在一般的情形下，物质会呈现这样的性质，称为「线性折射」。

非线性折射

当镭射发展出来之后，发现并非所有的物质都是「线性折射」。在「洞」中使用非线性折射的物质，折射率可随着入射光强度而改变。这现象值得进一步思考。想像有一个固定长度的「洞」，装以非线性折射材料，以一束可以调整强度的镭射光照射。起初镭射光强度所造成的折射率在Airy函数两个高峰中间，这时透射率非常低。镭射光强度渐渐增加则折射率及「光学长度」渐渐改变，透射率也慢慢增加（见图四）。

到某一点，折射率和光强度在「洞」形成正反馈，也就是他们互相增强。变化中的折射率使自开始时的完全破坏性干涉（在两高峰中间）渐渐移向建设性干涉。「洞」中增强的光束加上自外面进来同时也在增强中的光束，加速改变折射率，加速改变的折射率更加速「洞」中的光趋向建设性干涉，加强的光强度又更怏地改变折射率，如此循环不已。在入射光强度达某一临界值时，「洞」中的反馈作用开始显着，而Airy函数图上的高峰很快的就到达，透射率很快地变到最高，即入射强度与透射强度比是1。当入射光强度自高峰稍微地降低时，透射强度并没有循原来的路径快速地降低，理由是留在「洞」中的光强度又折射率还足够维持适当的「光学长度」以保持最大透射率。当入射光强度再降低，透射率只是稍微的减小；然而到达某一强度之下时，光强度及折射率开始显着地相互消减。入射光强度再一点点微小的减少，就足以使透射急遽地减少。这样的一个循环图形叫「迟滞曲线」（hysteresiscycle）。一个呈现迟滞曲线的光学元件称为「光学双稳元件」（opticalbistabledevices）。这是因为它有两个在入射光强度改变时透射光强度改变非常小的区域。应该注意的是，在双稳元件中，入射光强度有对应于两个不同透射率，真正的透射率决定于该「洞」以前的经历。

光学双稳元件

光学双稳性质是由索克（A.Szoke）及他的同事于1969年于麻省理工学院所预测，而由贝尔实验室的吉布士（H.M.Gibbs）等人于1976年首先观察到。从那时候起，光学双稳元件成为许多实验室工作的主题。在制造光学双稳元件中，选择具有非线性折射的材料是非常重要的。在我们的工作中，曾用具有高度非线性反应的化合物半导体锑化铟。像大部分的半导体一样，锑化铟对可见光是不透明的，但对某些波长的红外线是「透明」的。我们用的镭射光源是一氧化碳镭射，波长位于红外线的窄小范围里面，它的波长可以调整。我们是用一小块长方体锑化铟晶体做为干涉计。晶体的每一边都只有几毫米长，也曾经从比这小得多的晶体做出干涉计。在某些情形下，晶体的前后均覆上一层反射物质做为镜子，但覆盖反射物质并非必要，因晶体光滑的面就能做为镜子。

非线性折射的解释

在原子尺度中有许多技巧可用以改变半导体的折射率。锑化铟的机构复杂，且在研究之中。以下是一些已经知道的梗概。电磁辐射与固体的交互作用是藉着电子为媒介。在可见光及红外线范围，参与的主要是最外层电子。一个孤立的原子，它的电子能阶是清楚而确定的。但在固体中，由于原子的堆积，会形成较宽的「容许能带」，「容许能带」与「容许能带」间由「禁止能带」隔开，电子是不能具有禁止能带能量的。每一「容许能带」是由许多的能阶组成。如果每个「容许能带J里的每个能阶都被填满，则在那能带里面的每一个电子都会被限制于原子附近。要使电子移动，需要额外的能量，但在能带中没有空的能阶，带有额外能量的电子也无法移动。如果一个能带只有部分填满，则一个得到额外能量的电子就能移动到能带中稍高的能阶。金属有部分填满的能带。绝缘体的能带中，有电子填充而且能量最高的能带──价带（valenceband），是完全被填满的。它被一宽大的能隙（energygap）把另一更高的能带──导带（conductionband）与价带隔开。在绝缘体中，一个电子只有吸收足够的能量以越过宽大的能隙进入导带才有可能自由地移动。然而，这是一件不太可能的事情。半导体与绝缘体一样，有一个全满的价带及全空的导带，但两带的能隙却少得多。有许多的方法可使半导体获得小额能量，自价带的较高能阶进入导带的较低能阶。当电子自价带进入导带，在价带会留下一个电洞，它类似于电子，但为带有相等于正电荷的实体。如果提高的电子再回到价带，与电洞重合，则电洞会消失见(图五a、b)。电子越过能隙所需的能量随温度而变。我们所用的锑化铟是在77K工作。在这温度下，其能隙大约是0.2电子伏特。大部分的其他半导体的能隙都比这大了很多。折射率的非线性是与能隙的平方值成反比。由于它狭窄的能隙，锑化铟的非线性要比砷化镓高出100～1,000倍。砷化镓是另外一种曾被用来做光学双稳元件的半导体。虽然狭窄的能隙是必要的，但如过分狭窄则会使光学开闭元件变得不切实际。电子获取所需能量以便提高进入导带的方法之一是吸收入射的电磁辐射（光）。只要光子携带正确的能量，电子就能进入导带。等于0.2电子伏特的波长是5微米（10-6m），在我们所用的一氧化碳镭射的范围(见图五b)。一旦电子进入导带的较低能阶，晶格中的热能就会把它们散射至附近的能阶，其结果是电子在导带附近呈不规则的分布(见图五c)。导致锑化铟折射率改变的原因正是电子提高及随之而来的散射。在量子力学中光之折射及被吸收有密切的关系。一束光被吸收，那么它就会被折射，反之亦然。阻止吸收的发生，同时也阻止了折射的发生，于是改变了折射率。但，如何阻止光的被吸收呢？提高至导带较低能阶的电子数目是有限制的，当这个限制一旦到达，恰好带有提高所需能量的光子就不再被吸收。吸收作用的饱和阻止了光折射的发生，而折射率也就改变了。当镭射光关掉，原来被提高的电子很快的降回到价带而与电洞结合。光吸收作用又开始变得可能，且折射率也回到它原来的值［见图五(d)］。

光学逻辑闸

上面所描述的迟滞曲线非常明显地可应用来做记忆元件。干涉计稳定的高透射状态可代表一个逻辑或算术的值，稳定的低透射状态代表另一个值。任一状态都可由一适当强度的光束无限期地维持着。对一个用来处理信号而非记忆信号的光学开闭元件，迟滞现象的那部分是不需要的。藉着改变干涉计的长度、入射光波长、「洞」中的材料，迟滞环可以变狭或消失（见图六）。

其结果是一个算值的透射曲线，每一个入射强度，都只对应一个透射强度。这个单值透射曲线是可调整的，一个最有用的形状是：在入射强度低时，透射强度低，然后在一临界点，透射强度陡升，达到一高透射强度，然后入射强度续继增加时，保持不变。这种曲线形状像是描述电晶体集极电流的曲线。事实上这曲线是光学电晶体的基础，我们称这种元件为转相器，因为它的操作是基于控制光线的相位。在转相器中两束准确控制的光线集中在非线性折射的晶体前面的同一点，常束（constantbeam）是较大而不变的光束，而变束（probebeam）的强度要小得多，而且可改变。常束的强度要选择在使它的透射强度恰在透射曲线高峰的下方。变束的强度是当它加上常束时，可以到达高峰的区域（见图七）。

这也与电晶体相似，常束像自射极流向集极的电流，变束像自基极流向集极的小电流。一个小的基极电流变化会导致甚大的集极电流变化，一个小的变束变化会导致转相器的透射大为提高。像电晶体一样，转相器可以在两个截然可分的状态间交换且速度非常快。虽然无法直接测量时间，但间接的证据显示它只要几个10-12秒。一旦光学电晶体完成，下一步就是逻辑闸的组合了。事实上，一个单独的转相器就能做为「及闸」或「或闸」，完全视供给它的光束而定。如果所选择的两条光束──两者单独的强度都不足以造成状态的交换，但合起来的强度却足以产生交换，这就是一个「反闸」了。如果两光束中只要一条单独的光束就足以产生状态的交换，这就是「或闸」了。「反闸」是藉着以反射光束为输出而建立，增加入射光强度则输出少；减少入射光强度，则输出多。

光算机

建造光算机要靠组合许多的光学线路元件。在1970年代，能传导镭射光的薄膜曾被深入地研究过。导波管在原理上可做为连接光学积体线路的元件，虽然光学积体线路还没有被尝试制造过。新的光学科技的一个应用是建造一个与目前电子计算器结构或逻辑组织相似的光算机。它的价值在于高速度。"光学逻辑闸可以在一秒内做一兆（1012）次的运算。"光学开闭元件所具有的性质也能用来做新的计算器设计。在一个单独的电晶体上，好几道电流无可避免的会互相作用混合，然而好几道光束却可通过同一个干涉计而保持分离。如此便有可能用一个单独的晶体来进行数个交换操作。如果有五条光线，适当地选择强度，可个别进行几个不同的运算，例如两束可用做「及闸」，两束用做「或闸」，一束以电晶体的方式工作（见图八）。

如果这五路光束是自一个相同的信号源出来，那么这个信号可同时接受不同的运算。输出的信号可聚合起来或保持分开地继续被处理。这种操作方式需要一种与目前电子计算器相当不同的线路。光学开闭元件还可导致其他计算器设计与逻辑的修改。其中一种是用超过两个逻辑状态的元件。当入射强度连续增加时，某些晶体可以产生更多阶段的高透射率。各阶段的透射强度可代表多值逻辑系统的状态（见图九）。

因此这种光学元件不可只视为一个更快的代替者，相反的它的最大价值来自其他方法无法模拟的应用。可携带庞大数量信息的光学纤维正与日俱增，包括计算器间的通讯。光学开闭元件自然是光学系统与电子系统的媒介。一旦光算机开始建造，光学纤维可以用来做计算器系统间直接联系之媒介。

光学资料处理

目前，晶体成长及薄膜制造的技术使制造大而薄的片状晶体成为可能。如果薄片上的每一个小面积都可做为光学开闭元件（两个状态或多状态），一个影像直接投射在薄片上，则透射的光可做为影像的数位纪录。影像记录下来之后，可做许多的影像处理。上面的描述已经表达了对光学开闭元件的相当乐观的看法，下面将考虑一下实验性设计与商业成品间的困难。在我们的研究中，曾有须在低温操作的问题，如能在常温操作将使光学计算器更具实用性。锑化铟的能隙很小，而且随着温度的上升而变小。利用10微米波长的一氧化碳镭射，我们已经能在室温进行开闭了。新的镭射及材料无疑地将增进光学开闭元件的效率及速度。适当的材料是建造光算机的实际中心问题。一般是希望开闭元件消耗功率越低越好。交换功率是入射光强度与晶体面积的乘积。减小元件的大小可以降低开闭功率。然而元件无法做得太小，因为镭射光束可以聚集得多细是有限制的，同时尺寸太小，过热变成了另一个问题。与此要求相抗衡的是在某些限制下，开闭的时间可随着功率的增加而减少。建造开闭元件必须对功能的要求、元件的大小、交换的速度及功率、非线性材料的光学及热性质加以考虑。适当的选择材料及发现新的非线性物质是发展光算机的基本工作。虽然有这些不可避免的困难，我们认为建造光算机是可实行且令人兴奋的期望。2007/9/14被g950g950最后编辑|查看全部g950g950(组长)2007/9/115楼举报传统信息科学的困境

1948年，夏农（ClaudeShannon,1916-2001）发表了两篇奠定现代信息与通讯理论的论文。在资料处理上，他提出「位（bit）」的观念，利用无杂讯通路编码定理测度信息存贮量；在通讯方面，则以杂讯通路编码定理，来决定杂讯通道所能容许的信息传输量；并证明藉由修正错误码可保护信息不受干扰。另一方面，早在1936年，英国数学家杜林（AlanTuring,1912-1954）提出杜林机概念，它是一种现今称为可程序化电脑的数学计算模型。杜林认为，杜林机可以模拟所有可计算的演算法，亦即任何可计算演算法若能被硬件系统完成，则此演算法必对应某一等价的杜林机演算法，这是将抽象的计算理论与实际物理系统相结合的基本理论，称为"邱奇•杜林论点"。但在1970年代中期兴起的随机演算法，证明此论点有一些问题，因为并无法经由杜林机以有效步骤的演算法来完成，这迫使我们必须修正邱奇杜林论点。基于此，我们或许会问，是否存在另一种我们未知的计算理论模型，不管在资料处理的效率、资料的压缩、传递过程的安全性上，皆优于传统的信息理论呢？邱奇•杜林论点出现后，冯纽曼（JohnVonNeumann,1903-1957）接着提出如何以真实元件来建构计算器模型的论点，在一九四六年美国宾州大学利用真空管实现全世界第一部数值计算器后，1947年巴丁（JohnBardeen,1908-1991）等人发明了电晶体及1958年诺思（RobertNoyce,1927-1990）发明了集成电路，藉由这些元件的运用，制造技术更为精进，使得计算器发展逐渐迈向新时代。另一方面，基于经济与性能上的考量，科学家与工程师不断致力于增加芯片上电晶体的数目，目前的技术已可在芯片上载入十亿颗电晶体，依此趋势将无法避免于日后大量应用单电子电晶体元件，亦即利用单电子传输行为来载入或删除资料。电晶体元件在这种奈米尺度之下（约十奈米），量子穿隧效应将变得重要，我们必须有效地掌控这些效应，才能完成各种逻辑运算。虽然这类奈米级电脑在物理上受控于量子力学，但资料的处理仍建构在传统的信息理论上。值得注意的是，奈米电脑的出现意味着传统半导体制程技术已走到尽头，现有的资料处理运算原理亦将无法再往前迈进，所以我们势必要发展出一套更有效率的计算模型及理论，以超越传统计算理论的极限。这个时候，量子计算与信息理论，提供了我们一个崭新的方向。

量子计算与信息发展史

以下概述量子计算与信息发展过程中的重要发现，藉此可知科学家如何以量子力学的思维与数学结构，重新诠释电脑科学与信息理论。传统电脑信息利用0与1做为代表信息的基本单位，在实际操作上则以电流在逻辑闸上的流通与否，来完成各种逻辑运算。而量子信息的基本单位是量子位（qubit），藉由电子、原子的量子物理特性，把量子位用自旋1/2的电子，或是具有二能阶的原子来代表。量子位与传统数位位最大的差异是，某一时刻数位或模拟的传统位只处在一种状态，但量子位却可同时具有0、1及其线性的叠加态，由此构成一个「量子叠加态」。此叠加态直到被量测破坏后才呈现出0或1的最终结果，至于两者中何者会呈现，则完全由它们各自的概率振幅来决定，亦即概率振幅越大者，被量测到的机会越大。量子电脑的构想始于一九八○年代初期，当时贝尼奥夫（PaulBenioff）提出一台杜林机原则上可以用量子力学的方式来操作的原理；费曼（RichardFeynman,1918-1988）则认为杜林机无法有效完整地模拟量子力学，并更进一步提出基于可逆计算的量子电脑模型；之后杜奇（DavidDeutsch）提出第一个通用量子杜林机与量子平行理论的模型。然而这些论点在当时并未获得大家的重视，主要原因在于这些量子电脑的研究太过抽象，而且显示它们运算时容易受到外界的干扰而出错，且不易修正。一直到1993年洛伊德（SethLloyd）提出，利用诱导一系列原子间弱交互作用共振移转的电子脉冲，来实现量子电脑系统的构想，以及1994年修尔（PeterShor）提出，快速完成质因数分解的第一个量子演算法，因而将量子计算带入了一个崭新的境界。接着1996年葛罗佛（LovGrover）亦发表快速搜寻资料的量子演算法，于是才真正引起科学家普遍的兴趣及研究热潮。在量子信息方面，威斯纳（S.Wiesner）于1960年代末提出量子货币的构想，启发了贝内特（CharlesBennett）与布拉萨德（GillesBrassard）于1989年利用一系列偏振光子做为传输与加密信息的工具。1992年贝内特与威斯纳提出利用量子力学中的量子纠缠性质，来实现资料高密度加密的传输理论；次年，贝内特等人提出「传达量子信息，而不需要传递量子位」的量子隐形传输构想。1994年约萨（RichardJozsa）与舒马赫（BenjaminSchumacher）则对量子信息量加以定义编码，并进一步达成量子资料的压缩。

量子逻辑运算闸

在数位资料处理中，把执行运算的基本单元加以组合，以完成特定的计算工作，即为"逻辑运算闸"，如及（AND）闸或非（NOT）闸等，而量子计算用来执行运算的单元称为量子逻辑闸。作用在量子位上的逻辑运算是一系列的么正转换，何谓么正？就是「把一个状态从过去带到未来的转换矩阵，必须符合总概率固定的条件」。在实际运算上我们需要藉助逻辑运算闸，选定物理系统，设计实验步骤，以完成我们在「逻辑上」想要完成的计算任务。在量子力学中，我们是以哈密顿（Hamilton）描述整个物理系统，由薛丁格方程序描述系统的演化，并在此封闭系统中某特定时间内完成实验步骤后，得到演化后的系统状态，由此完成逻辑上想要完成的运算。但是实验上的设计往往很难理想地实现所希望的逻辑运算，例如：我们虽然可以利用一量子简谐振荡子的物理系统（粒子于抛物线势能中的运动），完成控制[color=red]非（controlled-NOT，CNOT）闸的运算，但因为此系统类似于一种多能阶系统，系统能量比二能阶系统来得大，同时易受噪音干扰，使得这个简单的系统无法成为理想的量子逻辑闸。

量子演算法

所谓演算法，是将解题的过程分解成有限个步骤的机械过程。若以运算步骤的多寡将问题分类，则对一个n位的正整数进行因数分解时，用传统演算法处理约需要exp(n1/3)个步骤来完成，这种随输入变数n的增加，演算步骤呈指数型态骤增的问题，称为"NP（non-deterministicpolynomial）类问题"，而演算步骤可以在多项式步骤内完成者，则称为"P（polynomial）类问题"。量子演算法最大的优势就在于，能将原本传统演算法的NP类问题变成P类问题，或是缩减原先的运算步骤。另一方面，量子演算法运用量子力学中的量子干涉、量子叠加态、量子纠缠等性质，以概率的型态进行运算，得出的结果将是所有可能状态同时存在，不同于传统演算法的单一状态结果，这些可能状态各以不同概率振幅构成一个叠加态，并经由量测后得出最后答案。修尔针对质因数分解的问题，提出了第一个量子演算法，其演算步骤为一系列的么正算符经由可逆平行运算，使得构成叠加的本徵状态互相纠缠干涉，在计算结果中出现较大概率振幅的状态，即对应最后所量测到的答案。应用此种量子演算法，分解一个n位整数，只需要约n2个步骤即可，亦即把NP类问题变成P类问题。修尔演算法最大的应用在于能轻易地破解现代密码学中最具威力的RSA（Rivest,Shamir,Adleman）密码系统，RSA是以质因数的分解做为加、解密的基础，一旦质因数的分解变得容易，密码将轻易地被破解。继修尔之后，同为美国AT&T贝尔实验室的科学家葛罗佛，提出