量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

鄒奕成　毛杰

摘 要 本文介紹了量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的基本概念，分析了量子計(jì)算比之經(jīng)典計(jì)算的特點(diǎn)，討論了量子計(jì)算機(jī)物理上的幾種可能實(shí)現(xiàn)方法，介紹了量子計(jì)算機(jī)最新的進(jìn)展，最后展望了量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 量子計(jì)算 量子計(jì)算機(jī) 量子位 量子邏輯門(mén) 量子算法

中圖分類(lèi)號(hào)：O413；TP38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

量子計(jì)算的概念起源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。在計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，能耗制約著集成度，也就制約著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。1982年，為了仿真模擬量子力學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)eynman提出了按照量子力學(xué)規(guī)律工作計(jì)算機(jī)的概念，這被認(rèn)為是最早量子計(jì)算機(jī)的思想。1955年，Oxford大學(xué)的David Deutsch在發(fā)表的一篇理論性論文中，深入研究了量子計(jì)算機(jī)是否比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效的問(wèn)題，他定義了量子Turing機(jī)，描述了量子計(jì)算機(jī)的一般模型，預(yù)言了量子計(jì)算機(jī)的潛在能力。1994年，AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的Peter Shor發(fā)現(xiàn)了因子分解的有效量子算法，從此量子計(jì)算的研究進(jìn)入高潮，全世界范圍內(nèi)的科學(xué)家和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)量子信息技術(shù)做了不同方向的探索。

2量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)方案

2.1核磁共振（NMR，即nuclear magnetic resonance）

核磁共振被認(rèn)為是當(dāng)今合成化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，它可以用于除塑料之外所有物質(zhì)特性的研究。很多年以來(lái)，初始狀態(tài)的制備和計(jì)算機(jī)結(jié)果的測(cè)量這兩個(gè)問(wèn)題一直阻礙著NMR量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。核磁共振計(jì)算機(jī)需要大量的分子，唯一的測(cè)量結(jié)果只能是多分子磁性的總體平均值。值得慶幸的是，1997年這兩個(gè)問(wèn)題都已經(jīng)得以解決，之后，NMR實(shí)現(xiàn)方案的研究倍受關(guān)注。

2.2腔量子電動(dòng)力學(xué)（QED，即cavity quantum electrodynamics）

腔QED是一種較有發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄓ昧孔娱T(mén)的實(shí)現(xiàn)方案，早在1995年，Barenco和Sleator就提出了實(shí)現(xiàn)兩量子位控制轉(zhuǎn)動(dòng)操作的腔QED方案。當(dāng)原子通過(guò)腔體時(shí)，適當(dāng)控制腔體的態(tài)以及原子運(yùn)動(dòng)的速度，原子態(tài)可以發(fā)生有條件的改變，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算需要的條件動(dòng)力學(xué)作用。

3量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景

目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問(wèn)題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以致在宇宙時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)N的平方根量級(jí)加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問(wèn)題。

量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一種通過(guò)二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識(shí)別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會(huì)損失一部分原始信息。而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，由于具有并行計(jì)算處理的能力，它可以在短時(shí)間內(nèi)分析大量的數(shù)據(jù)。

4量子計(jì)算機(jī)的最新進(jìn)展

4.1谷歌量子計(jì)算機(jī)獲進(jìn)展：計(jì)算速度提升1億倍

據(jù)電腦報(bào)官方微博傳出的消息。日前，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布了量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：在兩次測(cè)試中，D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。一旦被證實(shí)，它將掀起新一波科技革命，該進(jìn)展不僅將導(dǎo)致類(lèi)似iRobot的人工智能的發(fā)展，還能促進(jìn)美國(guó)太空項(xiàng)目的研發(fā)。

4.2 D-wave宣布實(shí)現(xiàn)1000量子位量子計(jì)算機(jī)

全球第一家量子計(jì)算公司D-Wave于2015年6月22日宣布其突破了1000量子位的障礙、開(kāi)發(fā)出了一種新的處理器，其量子位為上一代D-Wave處理器的兩倍左右，并遠(yuǎn)超D-Wave或其他任何同行開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的量子位。

4.3澳洲取得量子計(jì)算機(jī)新進(jìn)展

澳大利亞新南威爾士大學(xué)的科學(xué)家以迄今最好的成績(jī)創(chuàng)造出兩個(gè)“量子比特”，并能對(duì)其實(shí)現(xiàn)完全控制，也就是說(shuō)可以利用它們編寫(xiě)計(jì)算機(jī)代碼。

新南威爾士大學(xué)的研究小組在最新一期《自然-納米技術(shù)》雜志上報(bào)告說(shuō)，他們使用放置在硅芯片中的一個(gè)電子和一個(gè)磷原子的原子核，實(shí)現(xiàn)了量子糾纏，實(shí)驗(yàn)取得了2.70的觀測(cè)值，可信度超過(guò)96%。研究人員說(shuō)，以這樣高的“分?jǐn)?shù)”通過(guò)貝爾實(shí)驗(yàn)，是人們能對(duì)量子計(jì)算機(jī)操作實(shí)現(xiàn)完全控制的最有力證明，特別是用量子糾纏實(shí)現(xiàn)純粹量子類(lèi)型的計(jì)算機(jī)代碼。

參考文獻(xiàn)

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