量子计算和量子逻辑门
量子计算和量子逻辑门
1 引言量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科,它诞生于上个世纪80年代,在90年代中期引起国际学术界的巨大兴趣,受到西方各国的高度重视,得到迅速发展,迄今方兴未艾！量子计算是量子信息的一个重要分支，近年来得到了人们广泛的关注。
量子计算机是实现量子计算（quantum computation）的机器。
量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Richard Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。
1985年，量子图灵机（Turing）的模型被David Deutsch提出，通过它的性质的研究，预言了量子计算机的潜在能力。
由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势。
量子计算机不但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法[1]。
量子计算机中的信息是用量子逻辑门来进行处理的。
量子逻辑门是实现量子计算的基础。
为了实现量子计算，也就是说构建量子计算机，必须选择与设计合适的物理体系并控制它以实现量子逻辑门。
目前，已经有许多作为执行这些量子计算系统的逻辑门的方案被提出，而且其中许多方案已经实现。
例如，离子阱[2]、腔量子电动力学[3]、核磁共振[4]、量子点[5]和基于Josephson结的超导体方案[6]等。
基于Alan Turing理论发展起来的现代计算机科学在近几十年中取得惊人的发展,计算机硬件能力在20世纪60年代后的几十年时间里以近似Moore定律成长。
随着电路集成度的提高,进一步提高芯片集成度已极为困难。
当集成电路的线宽在011μm以下时,电子的波动性质便明显地显现出来。
这种波动性就是量子效应。
为此,多数观察家预期Moore定律将在21世纪前二十年内结束,人们在考虑替代当前计算机的新途径。
物理学方面,自Max Planck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。
量子计算中的量子逻辑门
量子计算中的量子逻辑门量子计算是一种基于量子力学原理的计算模型，它利用量子比特（qubit）而非传统计算机中的经典比特（bit）进行计算。
而在量子计算中，量子逻辑门则是实现量子计算的基本操作单元。
本文将介绍量子逻辑门的概念、分类以及在量子计算中的应用。
一、量子逻辑门的概念量子逻辑门是指在量子计算中用于操作和控制量子比特的逻辑门。
它类似于经典计算中的逻辑门，但由于量子比特的特殊性质，量子逻辑门的操作方式也有所不同。
在经典计算中，逻辑门是通过改变经典比特的值来实现的，如与门、或门和非门等。
而在量子计算中，量子逻辑门则是通过改变量子比特的量子态来实现的。
量子比特的量子态可以是0、1的叠加态，也可以是两个量子比特的纠缠态。
二、量子逻辑门的分类根据量子逻辑门的功能和操作方式的不同，可以将其分为以下几类：1. 单量子比特门单量子比特门是指作用于单个量子比特的逻辑门。
它可以改变量子比特的量子态，实现量子比特的旋转和翻转等操作。
常见的单量子比特门包括Hadamard门、Pauli门和相位门等。
Hadamard门是一种常用的单量子比特门，它可以将一个量子比特的0态和1态叠加起来，形成一个量子比特的叠加态。
Pauli门包括X门、Y门和Z门，它们分别对应于经典计算中的非门、非门和恒等门。
相位门则是改变量子比特的相位，实现量子比特的相位旋转。
2. 两量子比特门两量子比特门是指作用于两个量子比特的逻辑门。
它可以实现两个量子比特之间的相互作用和纠缠。
常见的两量子比特门包括CNOT门、控制相位门和交换门等。
CNOT门是一种常用的两量子比特门，它可以实现一个量子比特的翻转，当控制比特为1时，目标比特将发生翻转。
控制相位门则是在目标比特的相位上引入一个相位变化，当控制比特为1时，目标比特的相位将发生变化。
交换门则是交换两个量子比特的状态。
3. 多量子比特门多量子比特门是指作用于多个量子比特的逻辑门。
它可以实现多个量子比特之间的相互作用和纠缠，从而实现更复杂的量子计算操作。
量子计算机的量子门操作与逻辑门设计
量子计算机的量子门操作与逻辑门设计随着科学技术的不断发展，量子计算机作为一项前沿的技术越来越受到关注。
量子计算机具备超强的计算能力，相比传统计算机在某些特定情况下有着显著的优势。
而量子门操作和逻辑门设计则是实现量子计算机功能的关键技术。
本文将详细探讨量子计算机的量子门操作和逻辑门设计的原理与方法。
一、量子门操作的原理与方法1. 量子门操作的背景与意义量子计算机中的量子比特（qubit）相比传统计算机中的经典比特（bit）具有更高的信息容量和更丰富的信息表达方式。
量子门操作是一种能够实现qubit状态变换的操作，类似于经典计算机中的逻辑门操作。
它可以在量子计算机中实现量子态的幺正操作，从而改变qubit的量子态。
2. 量子门操作的基本类型常见的量子门包括Hadamard门、Pauli门、相位门和CNOT门等。
Hadamard门用于将经典比特转换为等概率的量子叠加态，Pauli门用于对qubit进行旋转操作，相位门用于对qubit的相位进行修正，CNOT 门用于实现量子纠缠和量子比特间的相互作用。
3. 量子门操作的实现方法量子门操作可以通过逻辑与门、逻辑或门、逻辑非门等方式来实现。
逻辑与门将两个输入比特的结果进行逻辑与运算，并输出结果。
逻辑或门将两个输入比特的结果进行逻辑或运算，并输出结果。
逻辑非门将输入比特的结果进行逻辑非运算，并输出结果。
通过逻辑门的组合与布尔运算，可以实现任意的量子门操作。
二、逻辑门设计的原理与方法1. 逻辑门设计的基本概念逻辑门是实现逻辑运算的基本单元，是组成逻辑电路的重要组成部分。
在量子计算机中，逻辑门的设计需要考虑qubit的相互作用、幺正性和可控性等因素。
2. 逻辑门设计的方法量子计算机中常用的逻辑门设计方法包括布尔逻辑、量子线路和量子门方法。
布尔逻辑是传统计算机中常用的逻辑门设计方法，它将逻辑计算转换为布尔函数的表示和运算。
量子线路则是利用量子电路图来表示逻辑门的结构和相互作用。
量子逻辑门
量子逻辑门量子逻辑门是一种量子计算的技术，它是量子计算的基础之一。
它实际上是一种特殊的量子门，用于逻辑运算。
与传统的逻辑门不同，它能够并行地处理多个信号，从而加速计算的进行。
量子逻辑门的主要工作原理是利用量子力学和量子纠缠的概念，将信号转换为量子态。
当量子逻辑门接收到量子态输入时，它具有定量和定性的功能，以运行必要的逻辑计算。
下面将介绍有关量子逻辑门的工作原理及其优势。
首先，量子力学和量子纠缠的基本原理是量子态的基础。
量子力学的基本思想是，如果把一个物体分成两个小物体，那么这两个小物体就会受到同一个力的影响，这就是量子纠缠。
量子纠缠使得量子系统不同元素之间具有微弱的相互作用，这种微弱的相互作用又称为量子纠缠，它可以使量子信号和量子力学状态被整合起来，并以加强量子计算性能。
接下来，量子逻辑门实际上是一种量子比特（Qubit）的门，它根据量子力学原理把输入信号映射到量子态。
量子比特的基本原理是，它可以用两个量子态表示，即“0”和“1”。
与传统的逻辑门不同，它能够并行处理多个信号，从而加速计算的进行。
与传统的逻辑门不同的是，量子逻辑门的输出也是量子态的信号。
最后，量子逻辑门的优势在于，它可以更有效地处理复杂的计算任务，而且量子信号可以传播得更远，因而更为稳定。
此外，量子逻辑门也可以用于计算安全性，从而提高计算过程中的安全性。
综上所述，量子逻辑门是以量子力学和量子纠缠为基础，并利用量子比特来进行逻辑运算的一种技术。
它有效地提高了计算效率，同时也可以增强计算中的安全性。
量子逻辑门的出现，使得量子计算的发展取得了新的突破，是量子计算领域发展的重要组成部分。
量子计算机的逻辑门设计
量子计算机的逻辑门设计量子计算机是一种基于量子力学原理的计算设备，它利用量子比特（qubit）进行计算。
而量子逻辑门则是量子计算机中实现逻辑操作的基本单元。
本文将探讨量子计算机的逻辑门设计。
一、量子比特与经典比特的区别在经典计算机中，比特的状态只能是0或1。
而在量子计算机中，量子比特可以处于叠加态，即0和1的线性组合。
这使得量子计算机具备并行计算和快速搜索等特性。
二、量子逻辑门基础量子逻辑门是用来改变量子比特状态的操作，主要分为单比特门和双比特门。
1. 单比特门：最基本的单比特门是Hadamard门（H门），它可以将一个量子比特从0变为叠加态，或者从叠加态变为0。
除了H门，还有Pauli-X、Pauli-Y和Pauli-Z门等，它们可以改变量子比特的相位和态。
2. 双比特门：双比特门用于操作两个量子比特，最常用的是CNOT 门。
CNOT门根据控制比特的状态来改变目标比特的状态。
三、量子逻辑门的设计原则在设计量子逻辑门时，需要考虑以下原则：1. 可逆性：量子逻辑门必须是可逆的，即可以通过逆操作将量子比特的状态恢复到原始状态。
2. 保持幺正性：量子逻辑门必须是幺正操作，即不改变比特的概率幅值。
3. 最小化局部操作：量子逻辑门应该尽量减少对非目标比特的操作，以降低误差。
四、量子逻辑门实例1. CNOT门：CNOT门是最常用的双比特门，它将控制比特的状态作用于目标比特。
其矩阵表示为：```CNOT = | 1 0 0 0 || 0 1 0 0 || 0 0 0 1 || 0 0 1 0 |```2. Toffoli门：Toffoli门是一个三比特门，它将两个控制比特的状态作用于目标比特。
当且仅当两个控制比特都为1时，目标比特的状态才会改变。
```Toffoli = | 1 0 0 0 0 0 0 0 || 0 1 0 0 0 0 0 0 || 0 0 1 0 0 0 0 0 || 0 0 0 1 0 0 0 0 || 0 0 0 0 1 0 0 0 || 0 0 0 0 0 1 0 0 || 0 0 0 0 0 0 0 1 || 0 0 0 0 0 0 1 0 |```3. SWAP门：SWAP门用于交换两个比特的状态，其矩阵表示为：```SWAP = | 1 0 0 0 || 0 0 1 0 || 0 1 0 0 || 0 0 0 1 |```五、量子逻辑门的优化为了提高量子计算机的运算速度和准确性，需要对量子逻辑门进行优化。
常见量子逻辑门
常见量子逻辑门量子计算是一种基于量子力学原理的计算模型，它利用量子比特（qubit）代替传统计算中的比特（bit）。
在量子计算中，逻辑门是实现量子计算操作的基本单元。
本文将介绍几种常见的量子逻辑门，包括Hadamard门、Pauli门、CNOT门和SWAP门。
1. Hadamard门Hadamard门是最基础和常见的量子逻辑门之一，它用于将一个qubit从经典状态转变为量子叠加态。
Hadamard门可以通过以下矩阵表示：```H = 1/sqrt(2) * [[1, 1], [1, -1]]```Hadamard门的作用是将一个qubit从0状态转变为一个处于0和1之间的叠加态。
2. Pauli门Pauli门是一组由物理学家Wolfgang Pauli命名的量子逻辑门。
这组门包括Pauli-X、Pauli-Y和Pauli-Z门。
它们可以通过以下矩阵表示：```Pauli-X: [[0, 1], [1, 0]]Pauli-Y: [[0, -i], [i, 0]]Pauli-Z: [[1, 0], [0, -1]]```Pauli-X门将qubit的状态从|0⟩转变为|1⟩，或者从|1⟩转变为|0⟩。
Pauli-Y和Pauli-Z门在量子比特上施加相应的相位。
3. CNOT门CNOT门是控制非门的缩写，也是最重要的量子逻辑门之一。
它包含两个qubit：一个控制qubit和一个目标qubit。
CNOT门的作用是将目标qubit的状态取决于控制qubit的状态。
CNOT门可以通过以下矩阵表示：```CNOT: [[1, 0, 0, 0], [0, 1, 0, 0], [0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0]]```CNOT门的作用是，当控制qubit的状态为1时，目标qubit的状态翻转，否则保持不变。
4. SWAP门SWAP门是一种交换两个qubit状态的逻辑门。
它可以通过以下矩阵表示：```SWAP: [[1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0], [0, 0, 0, 1]]```SWAP门的作用是交换两个qubit的状态，即将第一个qubit的状态赋给第二个qubit，将第二个qubit的状态赋给第一个qubit。
量子计算逻辑门
量子计算逻辑门是实现量子计算的基本单元，它类似于经典计算中的逻辑门。
然而，由于量子计算的特殊性质，量子逻辑门与经典逻辑门有很大的不同。
在本文中，我将详细介绍量子计算逻辑门的原理和应用。
一、量子计算逻辑门的基本概念量子计算逻辑门是用于操作和控制量子比特（qubit）的一种操作。
量子比特是量子计算中的基本单位，与经典计算中的比特不同，它可以处于多个状态的叠加态，并且可以进行纠缠操作。
二、单量子比特逻辑门1. X门：X门是最简单的量子逻辑门之一，它相当于经典计算中的NOT门，将量子比特的0和1互换。
2. Y门：Y门也是一个单量子比特逻辑门，它对量子比特进行一个旋转操作。
3. Z门：Z门是一个相位门，它对量子比特进行一个相位反转操作。
三、双量子比特逻辑门1. CNOT门：CNOT门是最常用的双量子比特逻辑门，它实现了控制和目标量子比特的关联。
当控制量子比特为1时，目标量子比特进行NOT操作；当控制量子比特为0时，目标量子比特不发生变化。
2. CZ门：CZ门是另一个常用的双量子比特逻辑门，它实现了控制和目标量子比特之间的相位反转。
四、多量子比特逻辑门1. Toffoli门：Toffoli门是一个三量子比特逻辑门，它实现了两个控制比特同时为1时对目标比特进行NOT操作。
2. Fredkin门：Fredkin门是另一个三量子比特逻辑门，它实现了对目标比特的两种状态进行交换。
五、量子计算逻辑门的应用1. 量子算法：量子算法通过使用适当的量子逻辑门来实现不同的计算任务，如Shor算法用于质因数分解，Grover算法用于搜索等。
2. 量子通信：量子逻辑门可以用于实现量子通信中的加密和解密操作，保证通信的安全性。
3. 量子模拟：量子逻辑门可以用于模拟量子系统的行为，帮助研究人员更好地理解和探索量子世界。
六、当前挑战和未来发展尽管量子计算逻辑门在理论上已经被广泛研究和应用，但实际中仍然面临很多挑战。
其中包括量子比特的稳定性、逻辑门的误差率以及量子纠错等问题。
量子计算原理及实现方法讲解
量子计算原理及实现方法讲解量子计算是在量子力学的基础上发展起来的一种全新的计算方式。
传统的计算机是以比特（bit）作为基本单元进行信息存储和处理，而量子计算机则是以量子位（qubit）作为基本单元。
量子位具有超乎经典比特的特殊特性，如叠加态和纠缠态，这使得量子计算拥有远超经典计算机的计算能力。
本文将针对量子计算的原理和实现方法进行详细讲解。
一、量子计算的原理1. 量子叠加态：量子位的一个关键特性是可以同时处于多个状态的叠加态。
经典比特只能表示0或1的状态，而量子位可以同时表示0和1，即处于叠加态。
这种叠加态可以使得量子计算机并行计算，从而提升计算速度。
2. 量子纠缠态：另一个关键特性是量子位之间的纠缠。
当两个或更多的量子位纠缠在一起时，它们之间的状态变得相互依赖，改变其中一个量子位的状态会立即影响其他量子位的状态。
这种纠缠态可以用于量子通信和量子密钥分发。
3. 量子门：量子计算使用量子门来操作量子位，实现量子比特之间的相互作用。
常用的量子门包括Hadamard门、CNOT门和门等。
量子门可以实现叠加态和纠缠态的产生、逻辑门的实现等，是量子计算的基础。
4. 量子测量：量子测量是量子计算的最后一步，用于将量子位的信息转化为经典比特的信息。
量子测量会导致量子位的态坍缩，即从叠加态中选择一个确定的状态，这个状态会根据测量结果的概率分布确定。
二、量子计算的实现方法1. 线性光量子计算：线性光量子计算是利用光子来实现量子计算的方法。
光子是量子力学的载体，具有较强的干扰、传输和操控能力。
线性光量子计算的主要器件包括光源、干涉器、激光器、光学调制器等。
2. 离子阱量子计算：离子阱量子计算是利用离子在特定电场中相互作用来实现量子计算的方法。
离子在离子阱中受到束缚，可以通过激光操控，形成纠缠态和逻辑门。
离子阱量子计算依赖于高精度的离子控制和激光器等设备。
3. 超导量子计算：超导量子计算是使用超导体中的量子位来实现量子计算的方法。
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1 引言量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科,它诞生于上个世纪80年代,在90年代中期引起国际学术界的巨大兴趣,受到西方各国的高度重视,得到迅速发展,迄今方兴未艾！量子计算是量子信息的一个重要分支，近年来得到了人们广泛的关注。
量子计算机是实现量子计算（quantum computation）的机器。
量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Richard Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。
1985年，量子图灵机（Turing）的模型被David Deutsch提出，通过它的性质的研究，预言了量子计算机的潜在能力。
由于量子计算机依赖于量子力学规律处理信息，所以它有着经典计算机永远不可逾越的巨大优势。
量子计算机不但可以提供更多的比特以及更高的时钟速度，它还提供了一种基于量子原理的算法的全新计算方法[1]。
量子计算机中的信息是用量子逻辑门来进行处理的。
量子逻辑门是实现量子计算的基础。
为了实现量子计算，也就是说构建量子计算机，必须选择与设计合适的物理体系并控制它以实现量子逻辑门。
目前，已经有许多作为执行这些量子计算系统的逻辑门的方案被提出，而且其中许多方案已经实现。
例如，离子阱[2]、腔量子电动力学[3]、核磁共振[4]、量子点[5]和基于Josephson结的超导体方案[6]等。
基于Alan Turing理论发展起来的现代计算机科学在近几十年中取得惊人的发展,计算机硬件能力在20世纪60年代后的几十年时间里以近似Moore定律成长。
随着电路集成度的提高,进一步提高芯片集成度已极为困难。
当集成电路的线宽在011μm以下时,电子的波动性质便明显地显现出来。
这种波动性就是量子效应。
为此,多数观察家预期Moore定律将在21世纪前二十年内结束,人们在考虑替代当前计算机的新途径。
物理学方面,自Max Planck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。
Moore定律最终失效问题的一个可能解决办法是采用不同的计算模式,量子计算理论就是这类模式的一种。
但是直到1982年,才由Benioff和Feynman发现了将量子力学系统用于推理计算的可能[7]; 1985年Deutsch 提出第一个量子计算模型[8]。
由此,量子计算迅速吸引了全世界研究者的注意并成为一门具有巨大潜力的新学科。
量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式,它利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算。
量子计算从本质上改变了传统的计算理念。
本文介绍了量子计算的基本原理、实现量子计算的基本要求、量子计算的根本困难、可能的解决办法,以及当前的几个有希望实现量子计算的物理系统。
并介绍量子信息技术中量子逻辑门的基本特点、方法以及实现量子门的物理实验进展。
2 量子计算2.1量子计算研究简史Benioff最早用量子力学来描述可逆计算机。
Feynman发展了Benioff 的工作,构造了对应各种逻辑门的哈密顿量。
Deutsch则进一步提出了量子图灵机和通用量子计算机的最初构想,随后又提出了量子计算网络,并构造了两个量子比特的算法。
Andrew Chi2Chi Yao证明了任意在量子图灵机上是多项式时间可计算的函数一定存在一个相应的多项式大小的量子电路。
1993年, Bernstein等人研究了量子计算复杂性理论,对量子算机在数学上给予严格的形式化描述,给出了量子图灵机比经典概率图灵机在计算效率上更为强大的证据。
在算法方面, 1994年, Shor提出了离散对数问题和大整数质因子分解问题的量子算法,证明了这两个重要且复杂的问题属于BQP类。
Shor算法极大地促进了量子计算的发展,使人们第一次清楚地看到了量子计算独具优势的重要应用前景。
从此,世界众多研究小组加入了该研究行列,量子计算研究领域取得了许多重大进步,如Jozsa 的因子分解算法,Hogg的约束满足问题算法、Grover的数据库搜索算法及求中数和平均数的算法等。
Shor 的另一项同样重要的成果是率先提出了量子纠错码,这使得容错的量子计算成为可能。
量子计算在密码学领域也取得了迅速的发展,自1984年提出第一个量子密钥分发协议BB84以来,目前已提出的协议就有十几个[9]。
2.2量子计算过程从物理观点看，计算机是一个物理系统，计算过程则是这个系统演化的物理过程。
量子计算机是个量子力学系统，量子计算过程就是这个量子力学系统量子态的演化过程。
从“计算”的本质上看，它是被称为计算机的物理系统执行的一个物理过程。
根据采用的计算设备的不同，这一物理过程可以非常不同。
它可以是人脑所完成的“计算”、算盘操作的“计算”和电子计算机控制的“计算”，等等。
不管采用何种计算设备，“计算”的一般过程是：首先，输入初始数据，从物理的角度看，这可以解释为在计算系统中制备出一个初始物理态；其次，执行计算，这个过程实际是按照算法规定的步骤，将给定的初始物理态演化成对应输出物理态的过程；最后，输出计算结果，给出问题答案，这可以看作对演化的物理末态进行测量得到所需信息的过程。
所以计算过程可归结为：制备物理态，演化物理态，最后对物理态实施测量。
当然不同的计算机执行这三个步骤的方式可以非常不同，但本质上都是一样的。
从这个意义上说，任何一个物理系统，只要它能提供足够多的不同状态，用来编码信息并能按照算法要求演化，最终能从对末态测量中提取出所需要的结果，这个物理系统就是一个计算机。
量子计算机是服从量子力学规律的计算机，它可以支持新类型的量子算法。
如，Shor算法和Grover算法等。
任何量子算法的核心都是研究如何处理量子并行计算，使得以较高的概率测量我们所期望的计算结果。
在量子计算机中，采用的是量子态编码信息，其存储量子信息的基本单元是量子位（qubit）的量子双态系统（或者说是一个2维Hilbert空间）。
可以将量子计算机看成是由一系列量子逻辑门构成的电路。
量子逻辑门对量子寄存器进行操作，实现量子态的转换（即实现对量子寄存器中的数据进行计算、处理）。
与“计算”的一般过程对应，量子计算的过程是：首先，制备出处于叠加、等振幅（等概率）的量子初态；其次，按照算法需要对叠加态不断进行演化（量子门操作，幺正变换）；最后，对最终的叠加态进行测量使其以接近于1的概率坍缩到所希望的态，从而给出量子并行计算的输出结果。
在量子计算过程中，这种状态的转换是由量子逻辑门实现的，一个量子计算网络能被分解成多个不同的量子逻辑门，因此，量子逻辑门是量子计算机最基本的构造单元之一。
对于量子计算系统，因为可以制备出由各个互不相同的态叠加所形成的初始态，量子计算机具有对这些初始态同时进行演化的能力，也即量子计算机可以沿着各条互不相同的路径同时演化初始叠加态，直至获得对应的输出的叠加态[10]。
2.3量子计算的物理实现量子计算的物理实现方案, 包括离子阱、中性原子、光学、超导约瑟夫森结、腔量子电动力学、液体核磁共振、Kane 的硅基半导体方案、富勒球、量子点和液氦表面电子等[11]。
实现量子计算机,一方面要求量子比特要能很好地保持其相干性,能够实现与外界良好地隔离;另一方面又要求能精确而有效地控制系统的演化,即,需要外界控制系统与量子系统之间有很好地耦合。
这两者形成了一对矛盾。
因此,选择什么样物理体系来制作量子计算机要兼顾这两个方面的要求。
科学家正努力寻找能实现量子计算的更多的物理系统,目前的研究主流集中在下列两个方向: (1)固态量子计算,包括超导系统、量子点系统等; ( 2)基于量子光学的量子计算,包括离子阱、腔QED系统、线性光学系统、光子晶体、光格子等。
2.4 量子并行计算与经典计算机相比，量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。
我们已经知道，量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。
量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果，这种计算称为量子并行计算。
例如，在某一时刻，一个二位量子寄存器可同时存储8个数据，若对该寄存器进行读/写操作，一次读/写操作可同时对8个数进行，而同样的操作经典计算机需要3次才能完成。
推广到n位量子寄存器，一个n位量子寄存器可同时存储2的n次方个数，一次读写操作可同时对2的n次方个数进行读/写操作。
量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作。
量子相干性在所有的量子超快速算法中得到了本质性的利用。
因此，用量子态代替经典态的量子并行计算，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能，同时节省了大量的运算资源。
2.5 量子计算应用领域量子计算的应用主要在下面三个方面[12]:(1) 保密通信。
由于量子态具有事先不可确定的特性,而量子信息是用量子态编码的信息, 同时量子信息满足“量子态不可完全克隆(No-Cloning) 定理”，也就是说当量子信息在量子信道上传输时，假如窃听者截获了用量子态表示的密钥，也不可能恢复原本的密钥信息,从而不能破译秘密信息。
因此，在量子信道上可以实现量子信息的保密通信。
目前，美国和英国已实现在46KM 的光纤中进行点对点的量子密钥传送，而且美国还实现在1KM 以远的自由空间传送量子密钥,瑞士则实现了在水底光缆传送量子密钥。
此外，A. K.Pati 等人利用量子力学的线性性证明密码攻击者不能破坏量子信息传输的完整性。
(2)量子算法。
对于一个足够大的整数，即使是用高性能超级并行计算机，要在现实的可接受的有限时间内，分解出它是由哪两个素数相乘的是一件十分困难的工作，所以多年来人们一直认为RSA 密码系统在计算上是安全的。
然而，Shor博士的大整数素因子分解量子算法表明，在量子计算机上只要花费多项式的时间即可以接近于1 的概率成功分解出任意的大整数，这使得RSA 密码系统安全性极大地受到威胁。
因此, Shor算法的发现给量子计算机的研究注入新活力, 并引发了量子计算研究的热潮。
(3)快速搜索。
众所周知, 要在经典计算机上从N个记录的无序的数据库中搜索出指定的记录, 算法的时间复杂性为O (N )。
因为搜索数据库是在外存进行的, 所以当记录数N 充分大时, 搜索工作犹如“大海捞针”一样的困难与烦琐。
Grover于1997 年在物理学界鼎尖杂志《Physics Review Letters》上发表了一个乱序数据库搜索的量子算法, 其时间复杂性为O().此量子搜索算法与经典搜索算法相比达到数量级的加速, 特别适用于求解那些需要用穷举法对付的NP类问题。
3 量子逻辑门3.1经典逻辑门与量子逻辑门的比较[10]量子计算机中，信息的基本单元是量子比特（qubit）即量子位，信息的基本操作元件是量子逻辑门（quantum logic gate）。