量子计算机的技术

1. 量子计算机的技术

2. 量子计算机技术概念

计算机技术发展的一个新方向—量子计算机 
计算机技术把我们带入了一个崭新的“信息时代”，给我们的工作和生活带来了巨大变化。发明计算机的先辈们没有料到计算机能成为人们生活中不可或缺的工具；他们也难以想象计算机诞生以来发生的惊人变化。计算机芯片的集成度以大约每十八个月就提高一倍的速度指数增长（摩尔定律），计算机芯片的集成度在不久的将来就有望达到原子分子量级(~10-10 m)。但是量子力学告诉我们，在这样的微观领域内，量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。 

量子力学是本世纪自然科学的最重要的成就之一。量子力学的观念同我们日常生活的经验有很大的不同。根据量子力学的原理，一个量子微观体系的状态是由一个波函数描写，而不再是由粒子的位置和动量描述。这个波函数决定了粒子出现在空间某一点或者具有某一动量的几率。对一个体系进行某一力学量的测量时，不再象经典粒子那样具有确定的值，而只能取某些特定的值。在经典力学中，对体系的测量不会改变体系的状态，至少在理论上可以构造理想测量实验，使得体系的状态在测量前后不发生变化。而在量子力学中，测量一般要改变体系的波函数，即体系的状态。经典体系的状态随时间的变化遵从牛顿定律，而量子体系的状态随时间的变化遵从Schroedinger方程。根据量子力学中的海森堡测不准原理，当位置定的很准时，粒子的动量就不会定准。D x.D p@ h/2p ，h是PLANCK常数，其数值为6.6260755(40)�0�7 10-34 J.s。将海森堡测不准原理应用于计算机的芯片问题中，当密度很大时，D x很小时，D p就会很大，电子就不再被束缚，就会有量子干涉效应。这种量子干涉效应会完全破坏芯片的功能。 是不是说量子力学就一定是计算机技术的大敌呢？对于现有计算机技术，量子力学的限制确实是一个障碍。但是应用量子力学的原理直接进行计算，不但可以越过量子力学的障碍，而且可以开辟新的方向。 

量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机。1982年美国的R. Feynman提出了把量子力学和计算机结合起来的可能性。1985年英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。Shor证明了量子计算机会对现有的社会和国民经济以及国防产生潜在的威胁。目前大量的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子。分解一个大数的质因子是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而量子计算机概念的出世，严重动摇了RSA公共码的安全性。1994年，美国的P.W.Shor利用量子计算机理论证明，一个N位大数的质因子分解只需用N的多项式的时间而不是以前所认为的N的指数次的时间。利用量子计算机分解一个400位大数仅仅需要不到一年的时间！Shor的工作引起了科学家们巨大的热情和兴趣。1995年，美国Grover证明在搜索问题上量子计算机比经典计算机优越。从没有排序的含N个数据的数据库中搜索一个确定的数据，用经典计算机平均需用N/2次运算，利用量子平行计算方法，只需次运算。科学家还证明了BPP�0�1 BQP�0�1 ，即任何在经典计算机上多项式可解的问题在量子计算机上也必定只需多项式次操作就可以完成。也就是说量子计算机解决任何问题上都至少不比经典计算机差。 

什么使得量子计算机会有如此优越的性质呢？量子计算机和经典计算机有什么区别呢？量子计算机也由存储器和逻辑门网络组成。但是量子计算机的存储内容和逻辑门与经典计算机却有所不同。对经典图灵计算机来说，信息或者数据由二进制数据位存储，每一个二进制数据位由0或1表示。在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)。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。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。也就是说，在量子计算机中，数据位的存储内容可以是0和1的迭加态：。现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制。如果体系的波函数不能写成构成该体系的粒子的的波函数的乘积，则该体系的状态就出处在一个纠缠态，即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。如果两个粒子处在纠缠态上，不管它们离开有多么遥远，对其中一个粒子进行测量（作用），必然会同时影响到另外一个粒子。正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应，使得量子计算机可以实现量子平行算法，从而在许多问题上可以比经典计算机大大减少操作次数。从另一个角度讲，在经典计算机里，一个二进制位(bit)只能存储一个数据，n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数，而在量子计算机里，一个量子位可以存储两个数据，n个量子位可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。

3. 什么是量子计算？量子计算的前景如何？

量子计算是在遵循量子力学规律，调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模式。其未来的应用领域可在对自然的表面观察上进行量子力学的计算，可加速解决我们目前从气候到疾病的各类问题。 
一、量子计算
量子计算对照于传统的使用计算机计算模式。其理论模型是用量子力学的规律来进行图灵计算。在计算速度上面有一量子力学叠加算法，在处理问题时速度要快于普通的计算机。量子计算的基本原理是通过量子信息单元状态多种叠加，从而导致量子处理信息时效率上加快。量子计算机中的2位量子位在寄存器中可以同时储存四种叠加状态，当量子比特数目增加的时候，量子力学演化出并行性，加快计算机的处理速度。二、量子计算的应用现状
量子计算使计算机的计算能力超过今天的大部分计算机。但是依旧存在很多障碍性。比如他无法长时间的保持足够量词比特的量子相干性，在同一时间段内也无法做出具有超高精度的量子逻辑操作。目前量子计算机的应用仅限于一些专用的问题上。对于通用任务方面还远远不是传统处理计算机的对手。2011年5月11日，加拿大量子计算公司正式发布第一台商用量子计算机，这部机器声称可以求解最优化、采样、网络安全等各项问题。现在实际应用中却始终争议不断。其整体的性能并没有超过传统计算机，同时在量子加速的理论上也并没有能够证实。三、发展前景2019年10月23日，谷歌宣布在量子计算机上有重大推进。其押注量子计算机可以解决。世界上最紧迫的问题——从气候变化到疾病问题。这一突破让人们距离量子计算更近了一步，在日常生活中，我们可以制造出更高效的电池，通过计算我们可以制造清能源的肥料。这一次创举无疑是对于我们人类来说是一次进步。有时我们努力将量子力学原理应用到生活中的实例。

4. 量子计算机目前发展情况是什么

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5. 量子信息技术的量子计算

曾创作出《侏罗纪公园》和《失去的世界》等作品的著名科幻作家迈克尔·克莱顿，在科幻小说《时间线》中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。其中，一家名为国际技术公司的经理们如此推销其眼中的高新科技：“普通的计算机用电子的两种状态计算，这两种状态被定为0和1。但在20年前，理查德·费曼就提出，有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。现在有诸多实验室正在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的、强大的并行计算能力。”作为科幻作品，克莱顿的小说中充斥着“量子多宇宙”“量子泡沫虫洞”“量子运输”“量子纠缠态”等令人既感新奇又感陌生的词汇，书中之“电子的32个量子态”说法也并不科学。然而，克莱顿预言的量子“并行计算”的强大潜力和美好前景，如今却正在现实世界一步步得到印证。具体而言，1965年，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔针对电子计算机技术的发展提出了“每18个月计算能力翻倍”的摩尔定律。然而，由于传统技术的物理局限性，这一能力或将在未来10～20年之内达到极限。据保守估计，2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程，业内专家则认为，16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上，当芯片的制程小于20纳米之后，量子效应就将严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律，而突破的希望恰在于量子计算。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2的250次方，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。比如，美国国防部对此就给予了高度重视，国防高级研究计划署（DARPA）专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划，其对外公开宣称的目标是，若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。

6. 当前量子计算技术前沿是什么水平？

前沿：中国即将发射全球第一颗“量子卫星”，这是科学界的一件大事，也是产业界的一件大事。
量子计算和人工智能一样，是目前人类科技发展的重要方向。在摩尔定律逐渐失效的今天，科技巨头和创业公司无不想使量子计算成为主流，但成功与否依然未知。本文作者探访了数位一线研究人员，试图为你揭开当前人类量子技术水平的谜团。

相关信息：
科罗拉多大学波尔得分校的量子计算研究员 Graeme Smith 解释了现今这一领域面对的难题，他说：过去你在这一领域工作，如果你告诉每个人量子计算未来大有前景，那么你一定是个乐观主义者；现在情况改变了，当有人讲量子计算机很快会解决所有问题时，我和同僚们简直无法相信。大家争先恐后地声明量子计算机的用途，这看上起像极了一场恶性竞争。
目前激动人心的原因是，就在今年某个时候，量子计算有望取得一个里程碑式的成果。在谷歌和 IBM 研究小组的领导之下，科学家预计实现「量子霸权」。这意味着该系统能解决传统现有计算机没有内存或处理能力来解决的问题。

7. 量子领域应用前景如何？量子计算机能否取代传统计算机？

是的，量子真随机数发生器是利用量子现象本质的不确定性，通过对物理源的信号采集和数字化技术来输出高速超长的随机数序列。
与通过算法复杂度在计算机上生成的伪随机数不同，真随机数即使在拥有无限计算资源和量子计算机的情况下，也不会被成功预测，其优良的不确定性和不可预测性在众多领域中有强烈的应用需求。

扩展资料：
量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力，同时也是发展人工智能的关键。由于量子计算机在并行运算上的强大能力，使它有能力快速完成经典计算机无法完成的计算。这种优势在加密和破译等领域有着巨大的应用。
量子计算机对于研制新的药物也有着极大的优势，量子计算机能描绘出万亿计的分子组成，并且选择出其中最有可能的方法，这将提高人们发明新型药物的速度，并且能够更个性化的对于药理进行分析。
参考资料来源：百度百科-量子计算机

8. 量子计算机的研发情况

 1920年，奥地利人埃尔温·薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。 量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出，后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。 2001年，科学家在具有15个量子位的核磁共振量子计算机上成功利用秀尔算法对15进行因式分解。2005年，美国密歇根大学的科学家使用半导体芯片实现离子囚笼（ion trap）。 2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机，但其作用仅限于解决一些最优化问题，与科学界公认的能运行各种量子算法的量子计算机仍有较大区别。2009年，耶鲁大学的科学家制造了首个固态量子处理器。 2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。同年，英国布里斯托尔大学的科学家研制出基于量子光学的量子计算机芯片，可运行秀尔算法。2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报：德国超级计算机成功模拟42位量子计算机，该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。 2011年4月，一个成员来自澳大利亚和日本的科研团队在量子通信方面取得突破，实现了量子信息的完整传输。 2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 发布了一款号称 “全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”。该量子设备是否真的实现了量子计算还没有得到学术界广泛认同。同年9月，科学家证明量子计算机可以用冯·诺依曼架构来实现。 同年11月，科学家使用4个量子位成功对143进行因式分解。 2012年2月，IBM声称在超导集成电路实现的量子计算方面取得数项突破性进展。 同年4月，一个多国合作的科研团队研发出基于金刚石的具有两个量子位的量子计算机，可运行Grover算法，在95%的数据库搜索测试中，一次搜索即得到正确答案。该研究成果为小体积、室温下可正常工作的量子计算机的实现提供可能。同年9月，一个澳大利亚的科研团队实现基于单个硅原子的量子位，为量子储存器的制造提供了基础。 同年11月，首次观察到宏观物体中的量子跃迁现象。 2013年5月D-Wave System Inc宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。  2013年6月8日，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。相关成果发表在2013年6月7日出版的《物理评论快报》上，审稿人评价“实验工作新颖而且重要”，认为“这个算法是量子信息技术最有前途的应用之一”。据介绍，线性方程组广泛应用于几乎每一个科学和工程领域。日常的气象预报，就需要建立并求解包含百万变量的线性方程组，来实现对大气中温度、气压、湿度等物理参数的模拟和预测。而高准确度的气象预报则需要求解具有海量数据的方程组，假使求解一个亿亿亿级变量的方程组，即便是用现在世界上最快的超级计算机也至少需要几百年。 美国麻省理工学院教授塞斯·罗伊德等提出了用于求解线性方程组的量子算法，利用GHz时钟频率的量子计算机将只需要10秒钟。该研究团队发展了世界领先的多光子纠缠操控技术。实验的成功标志着我国在光学量子计算领域保持着国际领先地位。