量子计算机的研究与应用综述

个确定的么正变换 ， 得到输 出比特。所 以么正性是量子逻 操作， 后两种方案有较强的可行性 。
辑门的唯一要求 ， 任何满足么正性的矩阵都能表征一个量 子逻辑门。Ｄ ｔ 最早考虑了用量子逻辑门来构造计算 ｕ ｃ ｅｓ ｈ 机的问题， 他发现， 几乎所有的三比特量子逻辑门都是通用
逻辑门。通用逻辑门的含义是指， 通过该逻辑门的级联 ， 可
子计算机进行量子计算的过程就是这些量子力学系统的量
子态的演化过程。在经典计算机中， 每一个数据位要么是
０ 要么是 １二者必取其一。利用 。和 １ ， ， 构成的比特串编 码分别表征不同的信息。与经典计算机数据位不同的是，
量子位可以是 ０ 或者 １也可以同时是 ０和 １ ， 。对量子位操
作一次， 相当于对经典位操作两次。这是量子计算的一个 优点．为了达到量子计算的目的， 量子比特分别用两个量
２０ 年第 １ ０８ 期 （ 总第 ４ ９期）
桂林航天工业高等专科学校学报 Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ ＵＬＮＣ）Ｌ Ｇ ＦＡ Ｒ） Ａ ＥＴ Ｃ Ｎ）ｏ Ｙ 计算机技 术及应 用 Ｏ Ｒ Ａ ＦＧ ＩＩ （ Ｅ Ｅｏ Ｅ （ Ｐ ｃ Ｅ Ｈ （ Ｇ Ｌ ｓ Ｌ
量子计算机的研 究与应用徐述
定输入是（，）（，） ００ ，０１还是（，） １０ 。同样， 或门、 异或门、 算机了。由于两个量子位间的控制转动就足以构造出任意 与 非门和或非门也是不可逆的。所以在量子计算机中， 与门、 复杂的量子计算网络， 量子计算机最基本的逻辑部件就是 或门、 异或门、 与非门和或非门都不能用。利用控制非门和 受控的两个量子位物理系统， 使它们之间产生的相互作用 一位旋转操作， 可以组成所有的可逆操作， 实现各种各样的 能够根据一个位的状态条件对另一个位实现么正演化。已 运算 。量子逻辑门按其输人 比特的个数可分为单 比特、 二 经提出的这样的物理系统有腔量子电动力学、 半导体中的 比特 、 及三 比特逻辑门等． 因为量子逻辑 门是可逆的， 以 量子点、 所 光子晶格、 多路脉冲磁共振及超冷离子等方案．实 其输入 和输出比特数相等。量子逻辑门对输人 比特进行一 现量子计算的关键是实现受控非门完成量子位之间的逻辑
３ ０
２０ 年， ０ １ 美国ＩＭ 的科学家已建构了７ Ｂ 位的核磁共振 （ Ｍ 量子计算机。ＩＭ的实验把原子变为离子， Ｎ Ｒ ） Ｂ 并使用 离子的两个内部自 转状态作为一个 ｑ ｉ然后使用微波脉 ｂ ， ｕｔ 冲作为地址。这种通过使用核磁共振技术测量和控制单原 子自 旋建立的量子计算机， 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， 利用无线电波的脉 冲使计算机开始计算处理。 ２Ｏ 年 ９ Ｎ Ｔ物性科学基础研究所试制出最有 月， Ｔ ０４ 希望成为量子计算机基本组件的“ 超导磁束量子位”在通 ， 过微波照射大幅度提高比特控制 自由度的同时， 组件的工 作频率也成功地提高到了原来的 １ 倍￣１ 倍。与其它 ０ ０ 基本单元相比， 超导磁束量子位具有量子状态容易持续保
学变量的分立特性 、 态迭加原理和量子相干性。 １Ｉ ｔ子计算机的存储原理 ．
（ 量子计算机的输人态和输出态为一般的叠加态， ） １ 其相互之间通常不正交 ；
作者简介： 莫露洁（９ 一）女， １８ ， 广西人， ０ 广东湛江教育学院计算机系教师， 重庆大学计算机专业硕士研究生。研
组合来构成量子计算机。量子逻辑门就是对量子比特的最 基本的么正操作。经典计算机中的基本逻辑门是与门和非 门。对于量子计算机， 由量子力学可知， 所有操作必需是可
逆的， 因此基本逻辑门也必需是可逆的， 但是与门是不可逆 的— 输出和输人不一一对应。如果输 出是 ０ 就无法确 ，
免的噪声而退相干， 使正常的相干演化遭受破坏， 计算出 错。因而如何纠错也是量子计算机的一个重大研究课题。 量子计算的研究大大简化了量子计算机的物理实现。 有了量子逻辑门和存储信息的量子位， 就可以建造量子计
而实现构成与或等基本 电路的控制非门．此次用于比特控制的是能量比光更低的
算等优点 ， 预计量子信息技术在本世纪将发挥重要作用。
量子计算机； 量子位； 并行计算
关键词
中图分类号：Ｐ８ Ｔ ３
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ：０９ ０３２０）１ ０９ ３ １０一１３（０５０一０２一０
从物理的观点看， 计算机是一个物理系统， 计算则是这
在信息时代， 人类对信息需求的增加， 促进人们不断地
致力于信息技术的发展。创建新一代高性能的、 安全的计 个系统演化的物理过程。经典信息系统采用二进制数据位 算工具和通信技术是量子论和信息论结合的产物。量子特 存储数据或程序， 每一个二进制数据位由０ １ 或 表示， 称为
荷、 传播和处理， 可能构造高性能的量子计算机． 量子计算
机已成为当今科研方面研究的热题。
态构造量子计算机中的数据位， 与经典计算机相 区别 ， 称之
为量子位或量子 比特（ｕｉ ， ｑｂ ）来表示信息单元。比如． ｔ 光 子的两个偏振方向｝ 》 ￣》磁场中电子自旋或者核 自 个 和｝ ，
旋向上和向下的两个方向， 原子中电子的两个能态等。量
１ 量子计算机的基本原理
量子计算机， 顾名思义就是实现量子计算的机器。它 是一类遵循物理系统的量子力学性质、 规律进行高速数学 和逻辑计算、 存储及处理量子信息的物理设备。当某个设 备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， 而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。 迄今为止， 正在应用中的各种不同类型的计算机都是以经 典物理学为信息处理的理论基础 ， 称为传统计算机或经典 计算机。在计算机的器件尺度方面， 经典计算机要达到体 积小、 容量大和速度快的要求受到限制。而量子计算机遵 循着独一无二的量子动力学规律（ 特别是量子干涉） 来实现
持、 易于集成等优势。这样一来 ， 就有望实现利用多个组件
万方数据
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桂林航天工业高等专科学校学报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ（ＦＧＵＩ Ｉ Ｃ ） Ｌ ＧＥ（ＦＡＥ ）Ｐ ＥＴＥ ） Ｌ Ｎ （Ｌ Ｅ ） Ｒ（Ｓ ＡＣ ＣＨＮ（Ｌ ） ）（ ＧＹ
２０ 年， 本 日立公司开发成功一种量子组件— ００ 日 “ 单个电子晶体管”可 以控制单个电子的运动， ， 具有体积 小， 功耗低的特点， 前功耗最小的晶体管低约 １ｏ 倍． 比目 ００ 在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管， 使集成电路
的集成度大大提高。
以以任意精度逼近任何一个么正操作。后来不少人发展了 Ｄ ｕｓｈ的结果 ， ｅｔ ｃ 最后 Ｄ ｕｓｈ和 Ｌｏｄ各 自独立 地 证 ｅｔ ｃ ｌ ｙ 明［ ， Ｊ ｌ 几乎所有的二比 特量子逻辑门都是通用的。而且， 由 于所有的量子逻辑门都是可逆操作， 不伴随信息的擦除（ 输 人信息的丢失）， 在理论上也就不存在热耗散的极限， 从而
提高了量子计算机的效率， 使得其可以完成经典计算机无 例如一个很大的自 然数的因子分解．量子 出输出态之后， 量子计算机对输出态进行一定的测量， 给出 法完成的工作， 相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。 计算结果 。 因此， 用量子态代替经典态的量子并行计算， 可以达到经典 由此可见， 量子计算对经典计算作了极大的扩充。 同时节省了 从另一个角度讲， 在经典计算机里， 一个二进制位 计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能， （ ｔ 只能存储一个数据， 个二进制位只能存储 ｎ ｉ ｂ ） ｎ 个一位 大量的运算资源。 二进制数或者 １ ｎ 个 位二进制数； 而在量子计算机里， 一个 量子位（ｕ ｔ ｑｂ 可以存储两个数据， 个量子位可以同时存 ２ 量子计算机的物理实现 ｉ ） ｎ 储 Ｚ 个数据， ｎ 从而大大提高了存储能力。 量子计算机的构成要涉及量子位、 量子逻辑门、 量子导 １Ｚ ｔ子逻辑门 ． 线、 量子密码等诸多方面的理论和技术问题， 同时要涉及到 计算机由存储器和逻辑 门网络组成 ， 但是量子计算机 态叠加原理、 二能级系统（ 或称二态系统）缠绕态、 、 密度矩 的存储内容和逻辑门与经典计算机却有所不同．正如经典 阵、 信息嫡等许多量子力学的基本概念。因此研究量子计 计算机建立在通用图灵机基础之上， 量子计算机亦可建立 算机存在许多显而易见的问题。在实验上实现对微观量子
子态及本征态 ｝ 和！） ｝ ０ １来表示， 然后 与经典位 ０和 １ 对应 进行编码。量子 比特可 以存在这样 的状态 ， 既非 ｝ 也非 助
１）它能以两个逻辑态的叠加态的形式存在， １， 即 ｝ ＝ａ０ ＋ｐ１ ，ａ２ ｐ２ ） ｝） ｝｝＋｝１＝１ 平） ｝ Ｑ ｐ 和 为复数。在量子计算机中， 我们无法准确测定 一种信息处理的新模式。它以原子量子态作为记忆单元、 也就是无法确定 。和 俘的准 开关电路和信息储存形式， 组成量子计算机硬件的各种元 量子比特处于哪一个量子态 ， 只能获得这个量子比特越来越 件达到原子级尺寸， 其体积不到现在同类元件的 １ ％。对 确值。量子力学告诉我们 ， 并且这个量子比特的状态可以介于 ｝ 和｛ ） ０ ”之 计算问题并行处理， 量子计算机比起经典计算机有着速度 多的信息， 间的任何量子态上， 但无法完全确定其状态。即量子计算 上的绝对优势。 量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理： 量子力 包括所有可能的么正变换。因此量子计算机的特点为：
２ 量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得 （）
在量子图灵机基础上。理论上已证 明， 量子图灵机可以等 价为一个量子逻辑电路， 因此可以通过一些量子逻辑门的
态的操纵确实太困难了。首先是退相千问题。量子计算机 和经典机的最本质区别是前者利用了量子相干性实现量子
并行运算 ， 而处于叠加态或缠绕态的量子系统， 会因不可避
（ 湛江教育学院计算机科学系 广东 湛江 ５４３ ２０ ７ ）
莫露洁 ’
摘 要
文章介绍了量子计算的原理， 指出经典计算机和量子计算机的异同； 简述了量子计算和量子信息技术在并行 计算、 保密通信等方面的重要应用； 最后展望了其未来发展趋势。