量子计算机的崛起Word格式.docx

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经典计算机模拟量子力学系统所需要的时间随系统中粒子数量和自由度的增长而呈指数增长。

因此，无法用经典计算机解决复杂的量子力学问题，更无法模拟大规模量子力学系统。

由于经典计算机的计算复杂度呈指数增长，所以在分解大数的质因数、枚举大集合的子集、随机搜索、自然语言理解和视频内容理解等方面也存在巨大的困难。

虽然类脑电子计算机能够在这些方面克服经典计算机的缺点，但是类脑电子计算机也难以模拟大规模量子力学系统和解决复杂的量子力学问题。

人类文明要进步，就必须解决复杂的量子力学问题，就必须搞清楚大规模量子力学系统的性质。

因此，曾大江认为研发量子计算机是人类文明进步的必然要求。

经典计算机存储1个比特的信息所需的原子数量已从1950年的10艾个减少到2009年的1000个，即平均每10年降低两到三个数量级；

晶体二极管基极掺杂的杂质原子数已从1950年的1千亿个减少到2010年的50个，即平均每10年降低一到两个数量级；

执行一个逻辑操作消耗的能量已从1950年的800焦减少到2010年的万分之一焦，即平均每10年降低一到两个数量级。

假设经典电子计算机存储1个比特的信息所需的原子数量平均每10年降低两个数量级，那么2020年就只需要10个原子，2025年就只需要1个原子。

假设晶体二极管基极掺杂的杂质原子数平均每10年降低1个数量级，那么2020年就只需要5个原子，2025年就只需要1个原子。

假设执行一个逻辑操作消耗的能量平均每10年降低1个数量级，那么2170年将达到室温下原子热运动的平均能量泽分之一焦。

当一个电子器件只涉及几个原子和电子时，经典物理规律失效，量子力学效应凸显。

这样，经典计算机的信息存储密度和掺杂密度在2020年就会达到极限，在2170年就会达到能耗极限。

因此，曾大江认为经典计算机发展的必然趋势也是进化为量子计算机。

由于量子算法研发难度极大和量子态固有的脆弱性，量子计算机要全面超过电子计算机还有很长的路要走。

虽然各种任务都可以用量子计算机完成，但是如果没有与这些任务相对应的量子算法出现，那么在量子计算机上使用经典算法去完成各种任务与在经典计算机上使用经典算法去完成各种任务没有多大的区别，就像用超级计算机玩扑克游戏与用手机玩扑克游戏没有区别一样。

目前，除分解大数质因数的量子算法和平方根加速的随机数据库量子搜索算法外，还没有本质上的新型量子算法出现。

只有各种任务所需的量子算法都出现之后，量子计算机才能全面超过经典计算机。

由于量子力学系统与环境存在不可避免的相互作用，所以编码信息的量子态极端容易消相干，丢失编码的信息。

这使得量子计算机的研究极具挑战性。

但是，只要环境噪声造成的出错率低于十万分之一到千分之一，任意位长的量子计算都可以可靠地执行。

理论上，量子计算机有标准线路网络模型、多量子位簇态模型、绝热模型、拓扑模型等多种模型。

实验上，在核磁共振系统、离子阱系统、光格中的中性原子系统、腔量子电动力学系统、线性光学系统、固态量子点系统和超导线路系统等物理系统中都实现了量子逻辑门操作和几个量子位的简单量子计算。

量子计算机是使用量子存储器和量子处理器的计算机，不是只使用量子器件的计算机。

在2500年之前，量子计算机要很好地工作，还必须使用经典存储器和经典处理器。

经典计算机只使用经典存储器和经典处理器，而量子计算机既使用量子存储器和量子处理器，也使用经典存储器和经典处理器。

由于人生活在经典世界中，输入的信息是经典的，需要的计算结果也是经典的。

由于量子计算机的大规模并行计算能力可以大大加快经典信息的处理速度，所以人类才大力研发量子计算机。

另外，量子计算机的操作指令和程序的描述也是经典的。

计算操作自动化过程也是经典的。

量子计算只能在部分任务的处理上超过经典计算，不能在所有任务的处理上都超过经典计算。

因此，至少在2500年之前，经典存储器和经典处理器都会有用武之地，只是它们在2020年到2030年就会达到最小尺度极限，在2170年就会达到室温下的功耗极限而已。

2500年之后，曾大江认为每个人都将进化为物理人，输入的信息不必是经典的，需要的计算结果也不必是经典的。

届时，量子计算机就可以是只使用量子器件的计算机。

即使在部分任务的处理上量子计算没有超过经典计算，也可以使用纯量子计算来处理所有任务。

量子计算机的理论模型

量子计算机的理论模型主要有四种：

标准线路网络模型、绝热模型、簇态模型、拓扑模型。

标准线路网络模型以单个量子位的操作为基础进行计算，绝热模型利用量子系统的哈密顿量来计算，簇态模型利用多量子位纠缠簇态来计算，拓扑模型利用多体量子系统的拓扑态来计算。

标准线路网络模型与经典计算中的线路网络模型类似，是经典计算向量子计算的自然延伸。

经典计算中以单个的0或1为基础，标准线路网络模型则以单个量子位的操作为基础，任意计算过程都是通过一系列量子通用逻辑门来实现。

虽然标准线路网络模型的原理很简单，量子编码和量子纠错容错等方面都有较完善的理论，但是相应的量子算法的开发很困难，消相干问题难以解决，真正实现纠错和容错计算很困难。

这就使绝热模型、簇态模型和拓扑模型有了用武之地。

绝热量子计算是把量子计算机硬件作为一个量子系统，通过设计和控制问题的哈密顿量来进行计算。

首先根据问题设计系统的初始哈密顿量，然后使其变成问题的哈密顿量，最后测量系统的哈密顿量的基态得到问题的答案。

系统完全的绝热演化需要无限长的时间，实际上得到的终态只能是基态和一些激发态的叠加态，只能通过多次运算和测量以一定的概率得到基态，从而得到问题的解。

这就使得绝热量子计算所需的时间随运算量是多项式增长的。

绝热模型不需要复杂的量子算法，在抵抗量子门出错和抵抗消相干方面也优于标准线路网络模型。

簇态量子计算通过制备多量子位纠缠簇态来进行计算。

制备出量子位簇态后，信息的写入、计算和计算结果的读出都仅同单量子位测量实现。

簇态中不同量子位的测量顺序和测量基的选择都由具体问题的算法决定。

由于簇态上的量子计算是不可逆的，所以这种计算是单向量子计算。

沿相反方向传播的激光场在交叠区域可以形成驻波场。

这种驻波场在空间形成2维或3维光格。

这种光格通过极化原子、离子和电场的相互作用可以成为囚禁冷中性原子或冷离子的势阱。

势阱间距接近于激光的波长。

可以通过调谐囚禁原子的激光的频率、极化和强度来移动光格中的原子，使相邻的原子产生纠缠。

可以用几个步骤就在整个光格上产生簇态。

但这种光格冷原子簇态量子计算的缺点是相邻量子位间隔等于驻波波长，这个波长太短不利于量子位寻址。

利于纠缠光子对和线性光学元件也可以进行簇态量子计算。

2005年利用光子极化态编码信息的四量子位簇态计算就已经实现。

簇态量子计算所需的纠缠簇态资源可以边消费边制备，可以克服消相干的问题。

另外，半导体量子点量子计算机和固体超导量子计算机也可以实现簇态量子计算。

二维拓扑量子计算利用2维多体量子系统的拓扑态来进行计算。

拓扑态元激发的准粒子既不是玻色子也不是费米子，而是任意子。

任意子是交换统计服从辫子群表示的空间定域准粒子。

当系统中多个任意子相互分离时，系统存在一个维数随任意子数目指数增长的简并基态。

利用这些简并基态的低能激发态任意子编码量子信息，就完全解决了局部扰动引起的消相干问题。

交换任意子就可进行逻辑门操作。

拖曳任意子相互缠绕就可进行确定的幺正操作且可靠性极高。

理论证明，仅对一类斐波纳契任意子进行相互缠绕操作就可以实现通用量子计算。

二维拓扑量子计算的第一个模型是1997年提出的圆环面上自旋为1/2的粒子组成的正方形网格模型，2006年正方形网格改进为蜂窝网格，2009年单成分费米子改进为双成分费米子。

另外，2007年提出的3维拓扑量子计算不需要缠绕操作就可以实现量子计算。

2008年提出的非破坏拓扑荷测量可以实现任意子型的量子隐形传态，不需要移动任何任意子，更不需要缠绕操作就可以仅通过测量就实现任意长的量子计算。

拓扑量子计算是最理想的量子计算，但实现难度也最大。

2维电子气系统可能可以实现拓扑量子计算。

量子计算机的物理实现

离子阱量子计算机是利用电磁阱囚禁经激光冷却的离子，离子间通过库仑斥力形成离子串并沿阱的轴线排列的量子计算机。

利用离子的基态和超精细能级编码一个量子位。

用一对激光束照射单个离子完成单量子位门操作。

高真空中的离子串在被冷却到极低温度后，其集体运动是量子化的。

用集体振动模的零声子态和一个声子态编码离子阱系统的振动量子位。

用激光场耦合离子量子位和集体振动量子位，实现不同量子位间的两位门操作。

离子阱量子计算机在理论上满足量子计算机的所有要求，在实验上已满足大部分要求，是量子计算机物理实现最有希望的方案之一。

2010年离子阱量子计算机单量子位门操作的出错率为千分之五，两量子位门操作的出错率为百分之一，量子位相干保持时间仅为门操作时间的100倍，只能用于演示几个量子位的量子计算。

离子阱量子计算机要实现大规模量子计算，门操作的出错率必须低于万分之一，量子位相干保持时间必须达到门操作时间的1万倍以上。

为此，人类提出了实现离子阱量子计算机的三种新方案：

离子芯片，在硅芯片上制作电磁阱并利用芯片上的电极和电势控制离子运动；

超导离子阱，用囚禁离子存储信息但使用超导约瑟夫森结量子位进行门操作；

微波离子阱，用微波代替激光来控制离子。

2015年用微波代替激光控制离子的新技术已经诞生，使大型微波量子计算机可能成为现实。

半导体量子点量子计算机是在半导体内用人工方法制成能囚禁电子、空穴和激子的纳米级结构，利用电子自旋态编码信息，通过控制和测量单电子自旋态实现单量子位门操作，通过控制两相邻量子位的耦合实现两量子位门操作的量子计算机。

2008年在几个T的磁场中实现了数秒的电子自旋相干保持时间。

用共振射频脉冲实现对电子自旋的完全操控需要多个电子进动周期，但全光的自旋操控只需要几皮秒或几飞秒。

固体材料固有的复杂环境使得消相干问题非常严重。

这导致半导体量子点量子计算机的研发困难重重。

固体超导量子计算机是利用约瑟夫森结电路具有量子性质的宏观态编码信息，按照量子力学规律控制这些量子态进行量子并行计算的量子计算机。

约瑟夫森结电路是包含约瑟夫森结到电路环。

在低温条件下，这种电路可近似为一个双态量子系统。

可以用超导岛上的库伯对电荷自由度或环中磁通相位自由度的宏观参量表示量子位态。

实验证明，约瑟夫森结的电荷量子位和磁通量子位的态具有量子相干叠加性质。

两个电荷和磁通量子位微波激发两能级相干震荡已经实现。

用固定电容、电感耦合两超导量子位已经实现。

两电荷量子的非门操作已经实现。

通过单电子晶体管或超导量子干涉器等多种方法提取量子位态信息已经实现。

超导量子位相干保持时间已达1~10微秒。

用微波控制量子位门，单位门操作时间已达1~10纳秒。

约瑟夫森结器件可用现有的纳米技术和光刻技术大规模集成化制造。

低温下约瑟夫森结电路宏观态所具有的量子性质使固体超导量子计算机成为现实的可能性极大。

另外，超导经典计算机利用超导隧道结零电压和非零电压的经典物理态编码信息，用电流脉冲控制开关，利用超导体的零电阻效应减小热耗，按照经典物理规律进行计算。

曾大江认为固体超导计算机将实现超导经典计算机、超导类脑计算机和超导量子计算机的完美融合和统一，实现超导超人脑智慧结构，是集超导技术、电子技术、纳米技术、脑科学技术和量子技术之大成的完美结晶产品。

2001年人类利用15个量子位的核磁共振量子计算机对15进行了因式分解，即把15分解为3和5的乘积。

2011年人类利用4个量子位对143进行了因式分解，即把143分解为11和13的乘积。

目前，量子计算机还处于非常原始的阶段，超过采用冯·

诺依曼模型的经典计算机至少还需要30年的时间，同时又面临来自采用伊辛模型的新型计算机的的挑战，例如：

2011年问世的D-Wave。

虽然D-Wave号称量子计算机，但实际上D-Wave只是利用超导元件表现伊辛模型的自旋运动，采用量子退火算法避免陷入局部最优解，从而获得计算加速的计算机，不是严格意义上的量子计算机。

2015年日立公司采用65纳米工艺在硅芯片上利用静态随机存取存储器（SRAM）来表现伊辛模型的自旋运动，采用COMS退火算法避免陷入局部最优解，在室温下就实现了比D-Wave快10倍的计算加速。

SRAM元件的“0”和“1”两数值分别代表自旋向上和向下，SRAM元件排列为2层，每层是一个80×

128的阵列，共约2万个SRAM元件代表自旋，还有20多万个SRAM数值用于表示元件间相互作用的强弱。

日立公司的成果使得现有半导体技术制造的伊辛模型计算机也可能具有量子计算机的大部分功能。

量子计算机的研发战略

虽然伊辛模型计算机来势汹汹，但是现有半导体技术企图“千秋万代”的妄想必然会破灭。

因此，量子计算机的研发不应受到伊辛模型计算机的影响。

曾大江认为固体超导量子计算机最具战略价值，不仅集超导技术、电子技术、纳米技术、脑科学技术和量子技术之大成，而且在未来飞出太阳系和飞出银河系的宇宙航行中也可以大显身手。

但是，鸡蛋不能放在一个篮子里。

因此，半导体伊辛模型计算机、半导体量子点量子计算机和半导体离子阱量子计算机也需要研发。

2015到2050的第一战略制高点都是固体超导量子计算机。

2020年的第二战略制高点是全功能半导体伊辛模型计算机，2030年的第二战略制高点是双模型半导体计算机，即融合冯·

诺依曼模型和伊辛模型的半导体计算机。

2050年之后，超导超人脑智慧结构才是战略制高点。