量子计算机

老包 · 发表于 2004-8-25 16:09:11

量子力学的基本概念
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　　对量子的研究是人们对目前所知最小的物质的行为研究。这些物质非常之小，以至于达到这种地步：试着将两个手指并拢起来，那么两指之间的宽度与地球直径之比，就差不多是原子直径与这两个指头宽度之比。正因为量子世界是一个如此奇妙的微观世界，它和我们宏观世界物质的行为相差甚远。

　　而如今，量子计算的研究已经把和量子物理学有关的词汇和概念放上了计算机科学新领域的舞台。量子物理学的核心概念就是波和粒子，以及波粒二相性这个神奇的现象。

　　在1800年的早期，Thomas Young做了一个双缝实验证明光是由波构成的。波的一个典型例子是石块在池塘中引起的波纹。当两个波相遇时，它们互相叠加，就会引起干涉。但是与池塘中的波不同的是，科学家们认为光波同时又是粒子组成的，这确实是比较让人惊奇的。

　　在1905年，爱因斯坦通过说明光是由粒子组成的解释了光电效应。基于这个思想，1923年，Louis de Broglie说明其它粒子，例如电子也可能具有波的性质。在1926年，Davisson和Germer在一个从镍晶表面离开的电子发生衍射的实验中证实了电子的波性。此后，粒子的波性在多个实验中被证明。电子、原子和分子等粒子有时候表现出粒子性，有时候表现出波性。这就是物理学中所熟知的波粒二相性，也就是说光波、电波是波，同时也是粒子（想象一下微小的灰尘颗粒可能使你对粒子的理解更直观些，然而实际的粒子要远远小于灰尘颗粒）。

　　波是和电子相关的，例如，波在空间中的传播是沿所有可能的轨道。粒子可能是在一种重叠态。但是，无论何时我们测量粒子的位置，都会发现它在一个非特定的位置（测不准原理）。这是量子物理学的一个令人吃惊的特征，但是也是量子世界的核心。

　　左图所示为一束电子射向带有两个小缝的板时发生的现象，从而验证了波粒二相性。电子波穿过两个小缝然后扩展到每个缝的右边。当这些电子波重叠时，如果两个小缝穿过的电子波都是波峰和波峰相遇，则叠加产生更大的峰；但是如果波峰和波谷相遇时，则互相抵消。这种现象就叫做干涉，干涉的结果产生了复杂的干涉图样，并扩展到整个屏幕。这个干涉图样决定了在哪里可以找到电子。波高度最大处电子出现的机率最大，波高为0处电子不可能出现。

　　右图所示是当许多电子穿过缝之后屏幕的形貌。每个电子，作为一个点粒子在照相底片上留下一个点。如果其中一个缝被阻塞，那么图像上就不会产生暗条纹。但是，当两个缝都没有被阻塞时，那么电子就不会出现在屏幕上的某些区域因而形成暗条纹。

　　那么在这个过程中，一个电子是否只从两条缝中的某一条穿过呢？按常识，人是不可能同时通过两扇不同的门的，然而电子毕竟不是人，微观世界的原则与我们日常所见的宏观世界相差很远：科学家告诉我们，暗条纹之间的距离是和两条缝之间的距离有关的（相反的关系）。因为电子留下了暗条纹，所以必然会有一些关于缝距的信息。换句话说，电子一定和两条缝都有关系。因此我们得出了一个会感觉很奇怪的结论，一个电子同时穿过了两条缝。

　　这就是重叠的性质，粒子可以同时出现在两个地方。人们利用这个性质来使得量子计算机同时做多种计算。

老包 · 发表于 2004-8-25 16:10:17

什么是量子计算机？
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　　我们目前所使用的计算机，代表了近年来技术进步的顶点，而这个技术进步萌芽于Charles Babbage（1791-1871）的早期思想，并且以德国工程师Konrad Zuse于1941年创造出第一台计算机为开端。

　　但是令人惊奇的是，现在放在我们面前的高速现代化的计算机和它庞大的重达30吨的祖先并没有什么本质的区别，而那台庞大的机器是由18000个真空管和500米的电线构成的！尽管计算机已经变的更加小巧而且一般来说在执行任务时已经快的多，但是计算机的任务却并没有改变：把二进制位（0和1）的编码处理并解释为计算结果。每个位都是一个基本的信息单元，传统上在数字计算机中用0和1代表。每个位的物理实现是通过一个肉眼可见的物理系统完成的，例如硬盘的磁化或电容器中的电荷。例如，包含n个字符并储存在计算机硬盘上的文件是通过一串共8n个0和1描述实现的。在这里存在着传统计算机和量子计算机之间的一个关键的区别。传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则是遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。

　　在量子计算机中，基本信息单元（叫做一个量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。qubit具有这种性质的直接原因是因为它遵循了量子动力学的规律，而量子动力学从本质上说完全不同于传统物理学。qubit不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在。换句话说，qubit能作为单个的0或1存在，也可以同时既作为0也作为1，而且用数字系数代表了每种状态的可能性。这种现象看起来和人的直觉不符，因为在人类的日常生活中发生的现象遵循的是传统物理规律，而不是量子力学的规律，量子规律只统治原子级的世界。下面的图a可以帮助我们更好的理解这个不寻常的概念。图04（这张图放在这段文字的下面）

　　从某光源发射的光子沿某条路径射向一个一面涂有银的镜子。该镜子使光束分离，其中的一半垂直射向接收器A，另一半则射向接收器B。但是，一个光子作为光的最小单位并不能被分离，所以光子被接收器A或B检测到的机率相等。如果凭直觉我们可能认为光子离开镜子的方向是随机的，或者沿垂直方向，或者沿平行方向。但是，量子动力学告诉我们，光子实际上是沿平行和垂直两个方向同时传播的。下面的图b解释的更清楚。

　　在一个类似图a的试验中，光子被射向半面镀银的镜子，通过接收器显示出的信号（如果一个接收器有信号，那么其它就没有信号）证实了光子是不可分的。根据这个现象，人们可能认为光子的传播路径或者是垂直，或者是平行，并且随机的在两种路径之中选择一个。但是，量子动力学认为光子的传播实际上是同时沿两个方向进行的，而不是像试验a中所示选择其中一种。这种现象，被叫做单粒子干涉，对这种现象在如图b所示的试验中有更好的阐述。图05（这张图放在这段文字的下面）

　　在这个试验中，光子首先撞击一个半面镀银的镜子，然后是一个全镀银的镜子，在最终到达接收器之前是另一个半面镀银的镜子，而且是半面镀银的镜子引起了光子沿一条或另一条路径传播的可能性。一旦光子在第一次光柱分离之后沿两种路径之中的任何一条撞击镜子，那么这种现象就和图a中类似，所以人们就会推测光子将等机率的到达接收器A或B。但是，试验b结果显示这种现象实际上使得接收器A的接收率是100％，而接收器B则接收率为0％！那么这是怎么回事呢？

　　图b描述的这个有趣的试验证明了单粒子干涉现象。在这种情况下，试验显示出光子总是到达接收器A，而永远不会到达接收器B！如果一个单光子沿垂直方向传播并撞击镜子，通过和图a中的试验相类比，光子被接收器A和B接受的机率应该是相等的。对沿平行方向传播的光子来说也是同样的。但是，试验的结果却有如此巨大的反差。唯一可以得到的结论就是光子在沿两条路径同时传播，并在两条路径的交叉点产生干涉，因此破坏了光子到达接收器B的可能性。这就是已知的量子干涉，干涉的原因是可能的光子态或路径的重叠。所以，尽管只发射了一个光子，但是好像有另一个和它相同的光子存在，并且这个光子沿一条不存在的路径传播，只有当这个光子和原光子路径相交因此发生干涉时才能够被发现。例如，如果两条路径中的一条被一个吸收屏阻挡，那么接收器B才开始像在试验a中一样显示出信号。量子的这个独特的性质使得当前在量子计算机中的研究不仅是今日计算机思想的延续，而且也是这个思想的一个全新分支。是量子计算机利用这些特殊的性质赋予了计算设备潜在的难以置信的威力。

　　但是，令人惊奇的是，量子计算机的外观并不同于我们现在所使用的计算机，它看起来可能更象放在计算机旁边的咖啡杯。

老包 · 发表于 2004-8-25 16:11:25

量子计算机中的基本概念
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　　比特和昆比特
　　传统计算机的电路是建立在一个用固体设备代表二进制数字位（bit，比特）0或者1的基础上的。在大部分的计算机中，晶体管关闭（输出电压为0V）代表了二进制数0，而晶体管打开（输出电压为5V）代表了二进制数1。
　　而量子计算机则操纵着量子位或者说昆比特。一个昆比特说明一个单粒子能存在于0或1的状态，或者同时存在于0和1的状态，这说明昆比特比比特可以表示的状态多。而且量子重叠态允许同时进行许多运算，这就是已知的量子平行，可以大大减少计算时间。
　　可能昆比特最简单的一个例子就是光子可沿两条路径传播。一条路径可以代表0，另一条路径可以代表1。当光束射向分光机时光子能存在于两条路径的重叠态。分光机很像一面普通的镜子，但是，反射层被做的很薄，并不是所有的光都被反射，一些光也可以通过它传播。当单光子遇到分光机时，光子出现于反射路径和向前传播路径的重叠态。光子在两条路径的重叠态时即可同时代表0和1。
　　许多量子系统能用做昆比特位使用。
　　量子平行
　　一个一位（就是同时只能存储一位数字）的存储器能储存数字0和1。同样的，一个两位（就是同时只能存储两位位数字）的存储器可以存储二进制数00，01，10和11（把这些二进制数字翻译成十进制就是0，1，2和3）。但是，这些存储器的共同特点和局限就是，在一个特定的时刻只能储存一个数字（如二进制数10）。
　　相对而言，一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0和1。两个昆比特位能同时储存所有的4个二进制数。三个昆比特位能储存8个二进制数000，001，010，011，100，101，110和111。下表表明300个昆比特位能同时储存多于1090个数字。这甚至多于我们这个可见宇宙中的原子数。
　　这表明了量子计算机的威力：只用300个光子（或者300个离子等等）就能储存比这个宇宙中的原子数还多的数字，而且对这些数字的计算可以同时进行。
昆比特（qubits）位数同时存储数字的数目可存储总数
1 (0 and 1) 21＝1
2 (0 and 1) (0 and 1) 2×2＝22＝4
3 (0 and 1) (0 and 1) (0 and 1) 2×2×2＝23＝8
.. .. ..
300 (0 and 1) (0 and 1)…… (0 and 1) 2×2……×2=2300
　　量子纠结
　　这是量子计算中使用的另一个量子物理学特征。当两个或多个粒子互相影响时，不可能独立描述任何一个量子的状态。即使当它们随后即被分开很远的距离，它们的行为表现的好像它们仍然是一个整体。因此我们称这些粒子是纠结的。量子纠结这个性质允许了用于实现量子运算法则的量子数的大量减少。总之，这是人类制造使用量子计算机中的一个大难题。
　

老包 · 发表于 2004-8-25 16:12:06

量子计算机的研究现状
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　　目前的计算机是通过控制位、二进制数字来实现的，也就是说，每一位代表了0或1。从数字和字母到我们所用的鼠标或调制解调器的状态等等和计算机有关的所有东西都可以用一系列0和1的组合来代表。这些位和经典物理学表示世界的方法对应的很好，在现实世界中，如电子开关的开和关，某物在某地或者不在某地等等，这样的两种状态可以分别用计算机中的0和1来表征。但是，量子计算机并没有被经典物理世界所限制，量子计算机依赖于对量子位或者说昆比特（qubit）的观察，量子位可能代表了一个0或者一个1，也可能代表了二者的结合或者可能代表了在0和1之间的一种状态。

　　IBM的研究者已经通过使用核磁共振（NMR）技术测量和控制单原子自旋建立了量子计算机。通过改变原子能级使该原子在可控制的方式下和其它原子互相影响，然后无线电波的脉冲可以使计算机开始计算处理。

　　为什么研究者们如此努力的希望研制出一台实际的量子计算机呢？这里有几个原因。首先，原子改变能量状态极快——比现在最快的计算机处理器（CPU）都要快得多。其次，考虑到问题的类型，每个qubit能代替一个完备的处理器——这意味着1000个钡离子能代替一个有1000个处理器的计算机。现在的关键问题是要找到量子计算机能够解决的合适问题。

　　如果试图把量子计算机做成适合日常使用的放在我们桌面上的计算机是不太现实的。因为它们不是很适合做类似文字处理和收发e-mail的工作。另一方面，大规模的加密术是量子计算的很好思路，另外，大规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。正是为了这些大规模的应用，科学家们才坚持对量子计算机的研究。

　　尽管科学家和工程师已经示范了一些小规模的量子计算机，但是开发者们在建造可行的商用量子计算机方面仍然不得不面对几个尖锐的问题。最紧迫的一个问题是当观察一个单离子的能级和自旋方向时很难使其保持稳定。目前的解决办法是使用激光把离子冷却到接近绝对零度。但是，这样做之前必须先把单原子从原子组中分离出来并把它放到指定地点。到目前为止，这种示范涉及到两个到五个原子。另外这又引起了观察原子将使多种可能的状态变为只有一种确定性的状态这个问题，观察将破坏原子所具有的两种状态并存和介于两种状态之间的这些极有价值的状态。IBM使用的NMR技术是一种不用直接观察离子而观察到离子状态效果的方法，它因此避免了使使多种可能的状态变为只有一种确定性的状态这个问题。

　　Los Alamos国家实验室的科学家，IBM，加利福尼亚理工学院和牛津大学的科学家正在共同寻求建造量子计算机的方法。对这些公司和大学来说，一旦成功的克服所有的困难，量子计算机一定会给他们带来巨大的收益。

老包 · 发表于 2004-8-25 16:12:43

可期待的未来
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　　虽然IBM声称他们已经研制出5个qubit位的量子计算机，但是权威科学家认为目前还没有真正意义上的量子计算机问世。现在所出现的那些用于演示用的量子计算机只不过是为了向人们展示量子计算机所具有的某些优异性能，并不能称为量子计算机。

　　虽然量子计算机从某种程度上来说只能是我们的设想，但是量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。在这个非常的时刻，科学家们正在逐渐克服障碍从而把量子计算机推进到一个合适的地位，使得量子计算机能够成为现存最快的计算机器。错误更正是一项令人欣慰的成就，它的出现使我们能够利用现有工具建立一台足够强大的量子计算机来抵挡脱散的影响。另一方面，量子硬件虽已形成领域，但是已完成的工作却暗示着在我们能够拥有一些足够大的设备来检验Shor和其它的量子运算法则之前还有一段路要走。然而，量子计算机将会尽快作为超级计算设备出现，可能未来的某天，你会发现现代的数字计算机已经因为过时而被丢进了历史的垃圾堆。量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。

he3kulai · 发表于 2004-8-26 10:23:35

一切有为法，如梦幻泡影；

hlhlhlm · 发表于 2004-8-26 14:35:08

期待

jxdn_yang · 发表于 2005-8-29 15:15:21

光学计算机 是执行其计算与光子与更加传统的基于电子的计算相对的计算机。 电子计算有时介入通信通过photonic 路。这类普遍的设备包括FDDI 接口。为了派信息通过光子, 电子信号被转换通过lasers 并且光引导了在光纤下。转换过程在电子信号和photonic 一个之间需要时间和增加复杂来设备。 真实的光学计算机不被撤销机密或否则知道存在。最好被分类的一些设备因为开关被测试了在实验室里。但是, 由光学组成部分整个地组成的晶体管, 如果他们存在, 当前是只在发展阶段。 一台充分地功能计算机由许多晶体管组成。数量的他们必需构成计算机是可争论的, 但大概至少10 和经常106 支 晶体管必需做一般计算的任务。 根据这(亦所谓), 真实的光学计算机不存在。设计的问题似乎源于消灭转换从光子到电子和。这转换是必要的现在因为我们没有所有无数的开关设备的所有光学版本由计算机必须。 有趣的是, 现代(正常) 电子计算机得到离是较近光学在任何情况下。系统时钟的频率在快速的系统当前是在唯一千兆赫范围。作为电路设计一部分, 任一个电子信号变化斋戒释放无线电波以那个频率。这意味着, 一根导线在计算机有一个双重作用作为电指挥和作为一支波导管为千兆赫频率无线电波。 光学频率(参见电磁波频谱) 是400-700 THz 。Moore 的法律也许似乎表明计算速度在这个范围应该发生在大约(4-8-16-32-64-128-256-512-1024-2048-4096) 10 量, 10*18 几个月= 16 年。当然, Moore 的法律也许是不正确的, 或某事也许干涉计算研究与发展周期。

jxdn_yang · 发表于 2005-8-29 15:15:56

美国罗切斯特大学的研究人员，最近发明了一种集量子技术强大运算能力和光控技术操控的简易性于一体的新型计算机。原子扭曲能让科学家们瞬时完成复杂运算，这一新型计算机的研制成功证明，光能逼真地模仿原于子的扭曲，而与原子相比，光更易被人们控制利用。     根据这一理论，我们可以使用人们熟知的一些简单的技术，制造出比现在的超级计算机快10亿倍的计算机。这项发明的研究报告已在《激光和光电量子学》以及马里兰州巴尔的摩的激光科学会议上发布。     这种新型计算机能模拟量子干扰，因此在从事密码破译或搜寻庞大的数据库的工作时有着异乎寻常的速度。传统电脑借助于电子而非量子干扰线性地进行运算，就像图书管理员在书架上一本一本找需要的书。而量子干扰可以将整个图书馆克隆——为每本书克隆一个图书馆——然后一次性将所有数据全部释放出来。新型电脑使用的光干扰和量子干扰在检索数据库方面一样高效。     量子计算机最大的局限是它需要“缠结”——就是将不贩粒子联系起来共享相同资源的一种环境，就好像所有图书馆的克隆体共享它们之间的相同之处一样。但“缠结”的环境很通信班形成，后来科学家们发现，如果使用量子干扰的话，“缠结”在数据库搜寻之类的工作中其实是可以免去的。当罗切斯特大学的伊恩·沃姆斯利听到这个消息后，他相信自己能制造出一个使用光粒子干扰而不是亚原子粒子干扰的计算机。     这种计算机最吸引人之处在于，它与量子计算机相比十分简单。技术人员在光的精确控制方面已有几十年的经验，这种计算机使用的所有技术都是早已为人所知的19世纪的经典物理学理论——但沃姆斯利指出，进行这项试验的相关技术是最近十年才有的。“实际上，我们是在旧的光学技术上架构新的物理理论；这是罗切斯特大学通力协作的结果，也证明了基本科学与技术运用有着密切的联系”。

jxdn_yang · 发表于 2005-8-29 15:17:04

从未来计算机的发展角度看，科学界看好的未来计算机目前有三类：生物计算机、光计算机和量子计算机。DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想，它通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。但目前流行的DNA计算技术都必须将DNA溶于试管液体中。这种电脑由一堆装着有机液体的试管组成，很是笨拙。光计算机和传统硅芯片计算机的差异在于用光束来代替电子，进行运算和存储。它用不同波长的光来代表不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。然而要想造出光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，用其造成台式计算机，将有一辆汽车那么大。因此，短期内光计算机达到实用很困难。被人们普遍看好的量子计算机与传统计算机原理不同，它是建立在量子力学的原理上工作的。经典粒子在某一时刻的空间位置只有一个，而量子客体则可以存在空间的任何位置，具有波粒二象性，量子存储器可以以不同的概率同时存储0或1，具有量子叠加性。如果量子计算机的CPU中有N个量子比特，一次操作就可以同时处理2n个数据，而传统计算机一次只能处理一个数据。例如，具有5000个量子位的量子计算机，可以在30秒内解决传统超级计算机要100亿年才能解决的大数因子分解问题。由于具有强大的并行处理能力，量子计算机将对现有的保密体系产生根本性的冲击。当然，这三种前景看好的计算机，要达到实用化，都有一段路要走。

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