量子计算机发表评论(0)编辑词条
提出及产生过程编辑本段回目录
量子计算机 |
几十年前,一些先驱者,如美国IBM公司的Charles H. Bennett等人就开始研究信息处理电路未来的去向问题,他们指出,当计算机元件的尺寸变得非常之小时,我们不得不面对一个严峻的事实:必须用量子力学来对它们进行描述。八十年代初期,一些物理学家证明一台计算机原则上可以以纯粹的量子力学的方式运行,之后很长一段时间,这一研究领域渐趋冷清,因为科学家们不能找到实际的系统可供进行量子计算机的实验,而且还尚不清楚量子计算机解决数学问题是否会比常规计算机快。
承载16个量子位的硅芯片 |
量子比特编辑本段回目录
量子计算机具有特大威力的根本原因在于构成量子计算机的基本单元-量子比特(q-bit),它具有奇妙的性质,这种性质必须用量子力学来解释,因此称为量子特性。为了更好地理解什么是量子比特,让我们看看经典计算机的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储和运算,在任何时刻一个存储器位代表0或1,例如在逻辑电路中电压为5V表示1,0V表示0,如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。
而量子比特是由量子态相干叠加而成,一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进制”的量子比特,对量子力学有了解的人都知道,在量子世界里物质的状态是捉摸不定的,如电子的位置可以在这里同时也可以在那里,原子的能级在某一时刻可以处于激发态,同时也可以处于基态。我们就采用有两个能级的原子来做量子计算机的q-bit。规定原子在基态时记为 |0〉,在激发态时原子的状态记为 |1〉 ,而原子具体处于哪个态我们可以通过辨别原子光谱得以了解。微观世界的奇妙之处在于,原子除了保持上述两种状态之外,还可以处于两种态的线性叠加,记为 |φ〉=a |1〉+ b |0〉 ,其中a,b分别代表原子处于两种态的几率幅。如此一来,这样的一个q-bit不仅可以表示单独的“0”和“1”(a=0时只有“0”态,b=0时只有“1”态),而且可以同时既表示“0”,又表示“1”(a,b都不为0时)。
举一个简单的例子,假如有一个由三个比特构成的存储器,如果是由经典比特构成则能表示000,001,010,011,100,101,110,111这8个二进制数,即0~7这8个十进制数,但同一时刻只能表示其中的一个数。若此存储器是由量子比特构成,如果三个比特都只处于 |0〉或 |1〉则能表示与经典比特一样的存储器,但是量子比特还可以处于 |0〉与 |1〉的叠加态,假设三个q-bit每一个都是处于( |0〉+ |1〉) / (√2) 态,那么它们组成的量子存储器将表示一个新的状态,用量子力学的符号,可记做:
|0〉|0〉|0〉+ |0〉|0〉|1〉+ |0〉|1〉|0〉+ |0〉|1〉|1〉+ |1〉|0〉|0〉+ |1〉|0〉|1〉+ |1〉|1〉|0〉+ |1〉|1〉|1〉
不难看出,上面这个公式表示8种状态的叠加,既在某一时刻一个量子存储器可以表示8个数。
三个量子比特的系统 |
硅芯片上16个量子位的光学照片 |
|0〉|0〉|0〉+ |0〉|0〉|1〉+ |0〉|1〉|0〉+ |0〉|1〉|1〉+ |1〉|0〉|0〉+ |1〉|0〉|1〉+ |1〉|1〉|0〉+ |1〉|1〉|1〉
不难看出,上面这个公式表示8种状态的叠加,既在某一时刻一个量子存储器可以表示8个数。
量子算法编辑本段回目录
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存储器清零→赋值运算→保存结果→再赋值运算→再保存结果……
对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数f(n)的运算等步骤,而且至少需要8个存储器来保存结果。如果是用量子计算机来做这个题目则在原理上要简洁的多,只需用一个量子存储器,把各q-bit制备到( |0〉+ |1〉) / (√2)态上就一次性完成了对8个数的赋值,此时存储器成为态 |φ〉,然后对其进行相应的幺正变换以完成函数f(n)的功能,变换后的存储器内就保存了所需的8个结果。这种能同时对多个态进行操纵,所谓“量子并行计算”的性质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。
我们怎么把所需要的数据从8个或更多个结果中挑选出来呢?对具体的问题这就要要采用相应的量子算法,例如Shor提出的大数因式分解算法,和Grover的量子搜索算法漂亮地解决了两类问题。按照Shor算法,对一个1000位的数进行因式分解只需几分之一秒,同样的事情由目前最快的计算机来做,则需1025年!而Grover的搜索算法则被形象地称为“从稻草堆中找出一根针”!尽管量子算法已经很多了,但是到目前为止真正的量子计算机才只做到5个q-bit,只能做很简单的验证性实验。
除了最基本的量子位,量子计算,量子超空间传送等概念,在量子计算机的研究中还有许多有趣的现象和新的概念,如量子编码,量子逻辑门和量子网络,量子纠缠交换等。
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