量 子 超 级 个 人 电 脑QSPC光 算 机 概 论Word文档格式.docx
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研究发现，能耗（热量）来源于"
计算过程中的不可逆操作"
那么是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？
问题的答案是：
所有"
古典计算机"
都可以找到一种对应的"
，而且不影响"
运算能力"
既然计算机中的每一步操作都可以"
改造为可逆操作"
，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。
早期"
，实际上是用量子力学语言描述的"
，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的"
叠加性"
和"
相干性"
在"
中，基本信息单位为"
比特（Bits）"
，运算对象是各种"
比特序列（Bytes）"
与此类似，在"
中，基本信息单位是"
量子比特（quBits）"
，运算对象是"
量子比特序列（quBytes）"
所不同的是，"
不但可以"
处于各种正交态的叠加态上"
，而且还可以"
处于纠缠态上"
这些特殊的量子态，不仅提供了"
量子并行计算"
的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。
与"
不同，"
可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。
因此，"
量子计算"
对"
古典计算"
作了极大的扩充，在数学形式上，"
可看作是一类特殊的"
对每一个"
叠加分量"
进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的"
概率幅"
叠加起来，给出结果，这种计算称作"
除了进行"
并行计算"
外，量子计算机的另一重要用途是"
模拟量子系统"
，这项工作是"
无法胜任的。
无论是"
还是"
量子模拟计算"
，本质上都是利用了"
量子相干性"
遗憾的是，在实际系统中"
很难保持。
中，"
不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即"
消相干"
因此，要使"
成为现实，一个核心问题就是"
克服消相干"
而"
量子编码"
是迄今发现的克服消相干最有效的方法。
主要的几种"
量子编码（quCode）"
方案是：
量子纠错码（quECC）"
、"
量子避错码（quEAC）"
量子防错码（quDMC）"
量子纠错码"
是古典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。
迄今为止，世界上还没有真正意义上的"
但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。
如何实现"
，方案并不少，问题是"
在实验上实现对微观量子态的操纵"
确实太困难了。
目前已经提出的方案主要利用了"
原子"
光腔相互作用"
冷阱束缚离子"
电子或核自旋共振"
量子点操纵"
超导量子干涉"
....等。
现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。
将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像"
半导体材料"
对于目前"
古典电子计算机"
一样。
的目的不是要用它来取代现有的计算机。
使计算的概念焕然一新，这是"
与其他计算机如：
光计算机"
生物计算机"
.....等的不同之处。
的作用远不止是解决一些"
无法解决的问题。
想像口袋中装着超高速电脑是什么样子？
「量子电脑」（QuantumComputer）有着比现在传统电脑强大许多倍的计算能力。
至今理论研究已日趋完善，然而目前世界上还没有真正意义上的量子电脑，换句话说，可以实用量产的系统还未出。
今年2月中旬，加拿大一家新成立的公司宣称推出全球第一台商用量子电脑，引起专家学者的质疑和议论。
也不禁令人遐想，量子电脑的时代提前来临了吗？
量子电脑是根据原子或原子核所具有的量子学特性来工作，运用量子情报学，基于量子效应构建的一个完全以量子位（quBits）为基础的电脑。
位于温哥华的D-Wave公司宣称，该公司以量子学原理所研发出的电脑将比当今世上最优质电脑的操作系统快出许多倍来。
这台名为「Orion」（猎户座）的电脑，使用传统的平版印刷术，搭配核心的一块超低温、超导铌芯片，可处理16个量子位（qubits）。
核心芯片必须冷却至接近绝对零度（-273.15℃），以便其计算过程中维持量子状态。
该公司表示，这台量子电脑可同时进行6万4,000个运算程序。
根据量子学定律，在电路图所流动的数位位可能代表的是0也可能是1，量子电脑有办法应付处理大量且更复杂的电脑指令。
该公司的执行长贺伯·
马丁（HerbMartin）表示，某些不同种类的问题是无法用数位电脑解决的。
数位电脑很适于跑程序，量子电脑则对于应付大量不同的可变因素很在行。
D-Wave公司声称其于2月13日展示的量子电脑原型是全球第一台商用电脑，内装有可以执行16量子位（qubits）的量子芯片。
该公司计划在未来的18个月内，于2007年底将速度提高到（32qubits），于2008年将速度提高到（512qubits）到（1024qubits），并开始提供商业租用。
量子电脑的外型长得如何？
当前它的原型和大型的电冰箱一样大，温度更低。
因为它所使用的超导体电路必须冷冻保存，以便大量的运算程序能够顺利进行。
量子电脑有什么用途呢？
贺伯·
马丁表示，人类可以使用量子电脑来设计基因药物。
（每个人体细胞有3亿个「基本成对数DNA」或者是着名「DNA双螺旋结构的梯」）；
企业也可以用量子电脑来管理他们的产物供需链。
马丁说：
「想想看，倘若某家公司有40个工厂并生产了100万不同的零件，那么需要记录的事务可就不少了。
」量子电脑亦可被用于维护安全。
由于911事件，许多各国政府及公司都纷纷重视生物统计学，建立了大量有关他们欲追踪对象的图片、指纹以及其他多样种类方法的资料库（DB）。
恐怖分子名单上的人，即使能安全地通过海关检查。
藉由量子电脑基本上能够快速地藉由先前已由安全局输入的庞大资料库中来再次校对是否对方为恐怖分子。
马丁表示，该产品的推出证明量子电脑商业化这个技术的概念。
D-Wave的潜在客户是商业界。
商业界人士不在乎这个技术如何可行，只要能解决他们复杂的商业方式。
商业用途的电脑不需要太花俏的技术细节。
事实上，D-Wave的电脑是一台混血机种，使用传统数位电脑，搭配量子芯片做为加速器或者副处理器（co-processor）。
后端是一台机架式电脑（rack-mountedPC）搭配处理器。
主要的部分是这颗量子芯片，由铌铝超导材质制成，冷冻存贮在氦液桶中。
量子电脑之所以能达到高速运算是因为他的基本资料单位为量子位（qubits），可以同时处理0和1，并快速处理所有的量子位（qubits）。
目前我们使用的数位电脑计算一次只能处理一个资料位（databit）。
大多数的工程师都认为量子电脑的技术还有一段遥远的路要走。
实用的量子电脑至少还要10年以上的时间才会问世才对。
D-Wave公司于今年2月13日发表这台量子电脑原型，是通过网络连结的方式联机发表，更加引起专家学者质疑其真实性。
美国宇航局（NASA）位于加州Pasadena的JetPropulsion实验室的工程师AlanKleinsasser于3月7日公开承认他们确曾为D-Wave量身订制一颗特别的量子芯片。
对于NASA的Microdevices实验室（隶属于JetPropulsion实验室）工程师来说，接受客户委托开发超导体线路芯片是一件很平常的事。
他们也曾接受委托替纽约的HypresInc设计芯片，也曾替欧洲太空局（EuropeanSpaceAgency）的希瑟（Herschel）任务制造宇宙飞船设备。
量子电脑是否真如D-Wave所言不久后就会在现实生活中上演了呢?
大多数的知名电脑公司对此感到质疑。
另有专家认为，如果真能有这样一台实用的量子系统，特别在财务系统的加解密还很脆弱的此时，这将是一项重要的技术突破。
但专家同时认为，像D-Wave这样的小公司若真拥有这样的技术一定会积极发展，在他们获得技术解决方案的5～8年内，很可能被重量级的技术先驱如Intel和IBM网罗。
利用量子电脑来「开创电脑新纪元」是世界上许多实验室热情追逐的梦想。
D-Wave公司利用量子芯片和传统电脑结合以达到其商业化的用途，虽然离学术上的专业还有一段距离，但似乎预告量子时代提前来临的可能性。
多数分析家表示，目前量子电脑的关键问题在对微观量子态的操纵困难。
也许将来人类会发现一种全新的设计、全新的材料，就像"
对于"
古典电機计算器（ENIAC）"
的发展一样。
2008/1/9被g950g950最后编辑|查看全部
2007/9/112楼举报
量子资讯浅谈
由於科技日新月异，处理器的尺度越做越小、速度也越来越快。
可是由於资讯的发达，人们对於尺度、速度的要求也相对的越来越高，也由於如此未来的科技也是必将趋向於小尺度的发展，但在越来越小尺度的同时也将会面临的一个问题------------量子效应。
今天信息科学在推动社会文明进步和提高人类生活质量方面发挥著令人惊叹的作用。
但是现有信息系统的功能已接近於极限值。
电子计算机在过去30年中，每个芯片上集成的晶体管数目随时间成指数增长，这个被称为摩尔定律的经验法则预示著，10多年以後计算机储存单元将是单个原子，电子在电路中的行为将不再服从经典力学规律，於是就提出量子效应究竟会对计算机运算速度产生什麼样影响的问题。
因此信息科学的进一步发展必须借助於新的原理和新的方法。
由於量子特性在信息领域中有著独特的功能，在提高运算速度确保信息安全，增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有的经典信息系统的极限，因而量子力学便首先在信息科学中得到应用，一门新的学科分支-----量子信息学也应运而生。
该学科适量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的叠加原理为基础研究信息处理的一门新兴前沿科学。
量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机、量子数据库、量子病毒、量子黑客、量子数据结构......等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。
有朝一日量子电脑真的能成为事实，除了速度快以外根据科学家的推测，它的作业速度将等於现在你每天都在使用的「古典骗钱多（IntelPentiumD）、A钱多（AMD）电脑」40亿部同时使用例如：
要完成一个64为数字的因子分解，即使现在的超级电脑也要花上比宇宙年龄还长的时间，然而原则上量子电脑却可以在短时间内求解这一问题，而且他还能做到许多当前电脑做不到的事。
目前量子电脑已经由史前时代进入了实验时代了，人们在找寻更多适用於量子电脑的计算法则以能充分发挥量子电脑的功效。
虽然我们还不知道量子电脑的研究何时才会变成工程问题，但是目前的成就已足使每个人振奋了。
读过费因曼（R.P.Feynman）的故事的人都知道，他也曾应聘於某电脑公司去设计电脑。
物理学家怎麼也设计起电脑来了？
原来当电脑越做越小、速度越来越快量子力学效应就不能不考虑了。
50年来几乎每隔两年电脑速度就加快一倍。
大家可以想想身边的个人电脑、从十几年前的频果二号电脑到现在的骗钱多核心就是一个例子。
但是这个趋势会继续下去吗？
总有一天路会走道尽头、无论如何快讯息传递的速度不会快於光速。
无论积体电路做得如何小，总不会小过原子。
当这一天来临时怎麼办？
这个世界将变成什麼样子？
其实几十年前IBM公司的R.Landauer及C.H.Bennett就已经在考虑这个问题了。
他们要问的问题是：
到底电路原件最小可以做到多小？
计算过程中最少要花多少能量？
电脑无论如何也该遵守物理定律例如：
热力学就告诉我们一个引擎的效率有一定的极限。
那麼对於量子电脑，是否也有某些物理极限存在呢？
80年代初期P.Benioff告诉我们原则上量子电脑是可行的。
後来有英国的D.Deutsch及美国、以色列等的其他一些人也做过一些研究。
不过80年代中期，这股热潮却又衰退了。
主要原因是：
他们研讨的量子电脑「非常的抽象」；
讨论的问题总是一样。
例如：
贝尔不等式、多世诠释、EPR悖论........等。
而且迹象显示量子电脑很容易出错却不易修正（加上没有遇到神）。
量子法则
量子电脑的研究运用到了很多抽象的理论以及法则，在这里我们将讨论到一条重要的量子法则，这条重要的法则就是：
物理时在具有无法消除的随机性，而且这种随机性是人们无法预测的，我们称只为不可约随机性。
物理时在显现出至今尚未发现的法则所制约的随机性以致出现种种奇异现象，使研究这些现象的人都困惑不解，甚至连量子理论的先驱们都深感震撼和吃惊。
宇宙为什麼会在其最基本层次上赋予我们这样一个无法排除的不确定性的根源呢？
仔细的研读从最初的奠基人到现在的量子物理学家们的手稿，不难看出他们所流露出来的困惑和迷惘，他们无法相信世界会是这样构造出来的。
然而量子理论仍是迄今为止最成功的理论。
由量子理论所做的预言与实际测量的吻合，达到史无前例的精确程度。
它的大多数违背常规的预言不断地为越来越多精巧实验所验证。
量子理论为我们提供了对物理世界的正确理解。
并且量子理论在更大程度上将成为新的高科技------量子技术的基石。
毫无疑问自然界是按照量子法则建立起来的。
然而尽管量子力学已获得如此大的功劳，但对其争论仍不断持续著。
有如此鲜明的世界怎会建立在无法消除的随机性之上呢？
答案尚未曾明。
但它的关键在於量子随机性的特质。
如果在分束器的两个输出方向上各放置一个光子计数器，并且调低输出光的强度，那麼我们会看到什麼现象呢？
我们将会发现所测到的光的强度开始起伏。
有时L探测器上纪录到的光子数会比U探测器上纪录到的多一些，有时则刚好相反。
虽然这些起伏可能相较於每个探测器上全部的光子计数要小的多，但当我们继续调低光的强度这个起伏就会变的非常显著。
在单光子水准亦即在任何一个给定的时间间隔内，我们至多只能纪录到一个光子，这时会出现这样的结果：
我们根本纪录不到光子或者只有在U探测器上纪录到一个光子而L探测器上没有或者相反。
每一个探测器上能否纪录到光子是完全随机的，就向投掷硬币出现正面或反面一样，即使我们完全知道输入光的所有情况，也不能预言哪一个探测器将会纪录到光子。
如果我们在单光子的水准上一便又一便的重复这一实验，我们就会发现每个计数器上所纪录到的光子大致是全部光子的一半。
在这里我们接触到了无法消除的随机性。
为了解释这一实验，我们提出的观点是：
当单个光子遇到分束器的时候，它将以相等的概率被反射或透射（这里我们假定了分束器并不吸收光子）。
无论我们对输入光的情形了解的如何详细，都不能预言比这更多的内容。
我们所能获得的全部知识就是这种奇怪的反射和透射现象。
实际上我们已经具备了关於光和分束器的精确理论，这就是量子理论。
也许你可能会认为，我们应当更多地去了解关於光子和分束器的情况，以便能预言单个光子的确切路径。
也许光子可以分成两类，一类会分束器反射、另一类则会被透射。
也许每个光子都携带著控制他们自身行为的某种指令，当他们遇到分束器时某种基因会告诉他们在这种情况下该如何行事，借助於这样的一种隐变量，我们当然就找到了解释光子在分束器上显现出的随机性行为的一种有效途径。
倘若量子理论不能告诉我们这个隐变量是什麼，那麼量子理论的处境可说是岌岌可危了，但是事实却不然反而量子理论却是屹立不摇，既然量子理论是那麼的屹立不摇，那麼就一定有个合理的解释来说明隐变量，的确如此。
假定我们让一束光连续第通过两个分束器如图二所示。
输入光束被分成相等的两束，每束光沿著两条分离的路径传播，直到再一次落到一个分束器上。
我们称这两条路径中的一条为上路径（U路径），另一条为下路径（L路径）。
在经过第二个分束器之後，两条输出光分别落到一个光子计数器上，我们分别定为L和U。
我们稍稍移动上方的反射镜来调整光学仪器内部的路径长度，适当的调整镜子的位置，可以使得仅有L探测器能够纪录到光强，反之亦可使只有U探测器能纪录到光强，关於这一点光的波动理论很容易透过干涉效应来解释这些现象，干涉是波动的本质特性，但是如果光是粒子的话我们能否对这一现象做出合理的解释呢？
通常我们毋须这样做，因为实验所采取的光都很强，以致根本不必去探测单个光子，虽然不必去探测单个光子，但是我们可以使用单个光子来做实验。
现在我们调整角度使两个探测器的光强度达到总光强的一半，然後再调低光强达到单光子水准（这里我们假定了一分束器并不吸收光子），现在假设每一个光子都携带著一个基因或称其为决定光子在分束器上是被反射还是被透射的隐变量。
在图二中我们将会看到，如果它被第一个分束器所反射，那它也会被第二的分束器所反射，而导致被U探测器所纪录到。
如果它是透射型的光子，最後也将被U探测器所纪录到。
很显然的隐变数这种说法是不正确的。
现在我们所面临的困难很明显的，在很低强度的输入下，我们每次只能计数到一个光子，每个光子在每一个分束器上的行为就像是在抛一枚硬币，如果它要与在高光强下的实验观察相符的话，实验输出还必须依赖於仪器的路径差，这样才能与光的波动理论相一致，而我们怎样才能把这种不可约的随机性同干涉联系起来呢？
关键在於找到一种方法，使得概率依赖於路径差。
通过对拉普拉斯规则和贝叶斯规则稍加改动，量子力学终於对此作出解释。
首先概率不是最基本的，在一个更深层次上它是由概率幅所决定而概率幅是不像隐变量那样地。
我们有两个概率幅（-1/2,1/2）和（-1/2,1/2）。
两个概率和是（0,0）。
於是合成概率幅的平方和当然是0，这表示该事件不会发生，尽管分事件中的概率不是0，而是由於我们实现了概率幅的相加，使得即使分事件中的概率不是0，合成事件的发生率仍可能为0。
量子纠缠
1982年在巴黎由AlainAspectc和她的合作者们所作的Aspectc实验解决了一个由爱因斯坦、波多耳斯基（BorisPodolsky）和罗孙（NathanRosen）於1935年所提出的问题。
这三位学者发表了一篇已为现代人所熟知的题为EPR的论文。
正是这篇论文引发了阿斯派克特（AlainAspectc）的实验动机，不仅如此这篇论文仍是当今物理学中一个非常活跃的领域的起因，同时EPR将我们的注意力引向令人困惑的问题：
量子纠缠（quanturnentanglement）。
在一场爱因斯坦与玻尔就量子论的争论中，也许大多数的物理学家认为玻尔赢得了这场争论，但是对於爱因斯坦所提出的EPR理论，玻尔没能给出一个确定式的回答，玻尔在EPR论文中看到在考虑多粒子体系时量子理论会导致纯粹的量子效应。
量子理论的又一个奠基人薛丁格，将这样的系统称之为纠缠系统。
正是在这种纠缠系统中，量子理论关於实在的观点所表现出来的具有真正革命性的特徵变的越发明显。
在EPR论文中量子理论被应用到一个两粒子的系统。
这两粒子在初始的某个时刻相互作用，然後它们被沿著相反的方向移开。
在一时间之後，他们已经被分开一段非常大的距离，这两个粒子分别进入一个测量装置已确定每一个粒子的某一种古典性质。
测量每一个粒子的动量或者测量一个粒子的动量而测量另外一个粒子的位置。
其中很关键的一点在於：
由於这两个粒子在过去以某种特殊的方式发生了交互作用，所以这两个粒子的测量结果之间将存在著很强的关系。
举例来说：
如果发现一个粒子有特殊的动量，这对粒子中的另一个将恰好有一个与其大小相等方向相反的动量。
由於存在这种良好的关联性质，换句话说我们只要给定一粒子的测量结果，我们就能确切地预言第二个粒子动量的测量结果。
这听起来并不奇怪，而这种强关联的现象也引发了量子纠缠及其特殊作用---隐形传送（teleporting），稍後再做介绍。
在EPR论文中的粒子，我们可以做更多种类的测量，我们可以测其动量也可以测其位置，如果他们的动量是强关联的，那麼正如我们所期望那样，可以证明粒子的位置也是仅仅相关的。
於是代替动量的测量，我们也可很好地测出它的位置。
这对於EPR中的另一个粒子，我们可以不经任何方式的相互作用，就可以确定地预言它的位置，这样看来似乎没有任何奇异之处。
但是量子理论的一个重要理论是：
对於单个粒子，不存在著在这个状态中的粒子有著精确的动量值同时又有著精确的位置。
这一结论称之为不确定性原理（uncertaintyprinciple）。
关於这点又将如何回答呢？
传统量子力学的回答是使用了一种所谓条件态（conditionalstste）的概念。
某个粒子的态完全地描述了粒子的制备和系统的各个细节，它使我们决定对这个系统实施测量所能得到的结果。
这隐含著如果我们制备了一大批处於相同态的粒子，这个状态有著精确的位置但我们不是去测量位置而是测量动量，那麼我们就会得到一大串不同的数据相反地也是如此。
但是从量子的思路来思考，他们认为EPR方案的问题在於：
如果我们选择粒子的位置进行测量，并得到一个结果，那麼它的另一个相关联性的粒子的条件态必须做出相应的改，以体现出我们已获得的知识和我们事先了解到的粒子之间的关联。
但是如果我们选择对第一个粒子的动量进行测量，它的第二个粒子的条件态就会与位置的条件态不，也就是说：
它现在处的是一个有确定动量的态而不是有确定的位置。
然而无论是玻尔还是爱因斯坦都没洞悉他们所讨论的纠缠态的全部涵义，经过数十年的努力之後这些含义才逐渐被挖掘出来。
在这里量子纠缠描述了对两个粒子实施局预测量（localmeasurement）其结果之间的关联并不能由通常的概率理论来解释，然而对大纠缠态而言对其实施的局域测量其结果是完全随机的。
当中定义纠缠的关键因素是实现关联的两种不同路径的概率必须由两个有著相同长度但可以有不同指向的概率幅所决定。
隐形传送
1993年3月PhysicalReviewLitters发表了一篇引人关注的论文，其题目本身就使人难以置信：
隐形传送（teleporting）这个词听起来有点不寻常。
然而这篇文章所揭示的正是这样一个令人惊异的事实：
通过局域的测量和古典通讯一个处於为费曼规则所描述的态上的粒子，在某地经受到一次测量，而在另一个地方的另一个粒子依照所收到的古典讯息，可以将自己变换成与原来粒子相同的态。
同所有的量子方案一样，这一方案也是利用了量子随机性的奇异特性。
现在我们来介绍隐形魔术Bob和Alice分别工作在两个离的非常远的实验室，他们彼此之间不实地发送量子粒子以取得连络。
现在Bob制备了两个处於量子纠缠态的粒子，它们具有两种不同的磁化方向，上和下。
现在Bob又制备了一个粒子，称它为控制位元，当Bob要传送一个未知态的粒子给Alice时，Bob可对这一未知态的粒子来做操作，未知态的粒子随著操作的同时便会消失，然後Bob透过一个古典频道来告诉Alice如何操作便会得到Bob所要传给Alice的这一个未知态，当Alice再依Bob所告诉她的操作过程反操作，这时便会得到Bob之前所要传给她的这一个未知态的粒子。
隐形传态表明了当我们希望发送量子位元讯息而不是一般的位元讯息时，纠缠粒子可用来作为一个非常有用的通讯源（communicat
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