111111111111111111111111q.docx
《111111111111111111111111q.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《111111111111111111111111q.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
111111111111111111111111q
量子计算机
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。
当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。
研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
量子计算机的提出
量子计算机，早先由理乍得·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。
可发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而资料量也变得庞大。
一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。
理乍得·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生。
量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。
一直到1994年彼得·秀尔提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。
半导体靠控制积体电路（集成电路）来记录及运算资讯，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算资讯（信息）
图2：
布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法，是建立量子计算机的基础
20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
研究发现，能耗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：
所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，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。
早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，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。
在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。
与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。
所不同的是，量子比特序列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。
与经典计算机不同，量子计算机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，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。
量子计算机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，这种计算称作量子并行计算。
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，这项工作是经典计算机无法胜任的。
1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子电脑能做出对数运算，而且速度远胜传统电脑。
这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。
如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。
量子计算机的基本概念
量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。
要说清楚量子计算，首先看经典计算。
经典计算机从物理上可以被描述氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。
氢能源的特点
当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。
随着石化燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。
氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。
氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。
作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：
水无腐蚀性，对设备无损。
利用形式多
既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。
可以多种形态存在
以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
耗损少
可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小。
利用率高
氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。
运输方便
氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。
减少温室效应
氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应
氢能源的开发与利用
时至今日，氢能的利用已有长足进步。
自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。
美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。
我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。
利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。
氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。
目前，世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。
利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。
如今世界上有50多个实验室在进行研究，至今尚未有重大突破，但它蕴育着广阔的前景。
发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步。
在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。
这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。
煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。
氢是一种无色的气体。
燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。
氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。
氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。
在大自然中，氢的分布很广泛。
水就是氢的大“仓库”，其中含有11％的氢。
泥土里约有1.5％的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。
氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70％为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。
如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
氢的用途很广，适用性强。
它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。
例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。
氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。
1976年5月，美国研制
出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。
用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。
由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。
更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4％的氢气。
用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。
氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。
液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。
美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。
另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。
目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。
当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。
现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4％的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。
随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。
在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。
例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的光水解催化剂。
人们预计，一旦当更有效的催化剂问世时，水中取“火”——制氢就成为可能，到那时，人们只要在汽车、飞机等油箱中装满水，再加入光水解催化剂，那么，在阳光照射下，水便能不断地分解出氢，成为发动机的能源。
本世纪70年代，人们用半导体材料钛酸锶作光电极，金属铂作暗电极，将它们连在一起，然后放入水里，通过阳光的照射，就在铂电极上释放出氢气，而在钛酸锶电极上释放出氧气，这就是我们通常所说的光电解水制取氢气法。
科学家们还发现，一些微生物也能在阳光作用下制取氢。
人们利用在光合作用下可以释放氢的微生物，通过氢化酶诱发电子，把水里的氢离子结合起来，生成氢气。
前苏联的科学家们已在湖沼里发现了这样的微生物，他们把这种微生物放在适合它生存的特殊器皿里，然后将微生物产生出来的氢气收集在氢气瓶里。
这种微生物含有大量的蛋白质，除了能放出氢气外，还可以用于制药和生产维生素，以及用它作牧畜和家禽的饲料。
现在，人们正在设法培养能高效产氢的这类微生物，以适应开发利用新能源的需要。
引人注意的是，许多原始的低等生物在新陈代谢的过程中也可放出氢气。
例如，许多细菌可在一定条件下放出氢。
日本已找到一种叫做“红鞭毛杆菌”的细菌，就是个制氢的能手。
在玻璃器皿内，以淀粉作原料，掺入一些其他营养素制成的培养液就可培养出这种细菌，这时，在玻璃器皿内便会产生出氢气。
这种细菌制氢的效能颇高，每消耗五毫升的淀粉营养液，就可产生出25毫升的氢气。
美国宇航部门准备把一种光合细菌——红螺菌带到太空中去，用它放出的氢气作为能源供航天器使用。
这种细菌的生长与繁殖很快，而且培养方法简单易行，既可在农副产品废水废渣中培养，也可以在乳制品加工厂的垃圾中培育。
对于制取氢气，有人提出了一个大胆的设想：
将来建造一些为电解水制取氢气的专用核电站。
譬如，建造一些人工海岛，把核电站建在这些海岛上，电解用水和冷却用水均取自海水。
由于海岛远离居民区，所以既安全，又经济。
制取的氢和氧，用铺设在水下的通气管道输入陆地，以便供人们随时使用。
中国氢能行业发展分析
氢燃料电池技术，一直被认为是利用氢能，解决未来人类能源危机的终极方案。
上海一直是中国氢燃料电池研发和应用的重要基地，包括上汽、上海神力、同济大学等企业、高校，也一直在从事研发氢燃料电池和氢能车辆。
随着中国经济的快速发展，汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。
2007年中国已成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。
与此同时， 计算机问世后，科学家们自然而然地想到使用光元素器件来制造光计算机。
可是，设计和进展缓慢，一直没有结果。
于是，当时世界上的光学权威，美国斯坦福大学的卓泽夫．古德曼教授认为，以最乐观的估计，光计算机的诞生也要迟至21世纪。
电子计算机的问题
电子计算机自诞生后，发展速度是非常快的。
由于结构日趋复杂化和高度集成化，于是出现了一系列难以克服的问题。
第一个问题是，尽管在电子元器件中传输的是很弱的电流，但随着元器件的高度密集，不仅工作时产生的热量会急剧增加，而且相邻的元件也会彼此干扰
第二个问题是，电子计算机的元器件中，电子的运动速度约为每秒60千米。
即便是在砷化镓器件中，电子的运动速度也不会超过每秒500千米。
也就是说，电子在导体中最快的运动速度也不及光子流运动速度的10％，这就大大限制了运算速度的提高。
而且，当电子计算机每秒转换1亿次时，还会出现一些不正常的情况
第三个问题是，由于计算机的结构和功能日趋复杂化，组成运算电路的电子元件也日益增多。
为了在有限的面积上容纳下更多的元件，人们早就将许许多多元件密集起来，做成一个个小方块。
这类方块就叫集成块，或叫集成电路。
每个集成块是通过身上的插脚，固定在位置上，并与整个电路相连的。
超大规模集成块的插脚数目是很多的，而且越来越多，目前最多的已有300只插脚。
若于年后，也许会出现有上千个插脚的集成块，它们会占据很大的地盘，以致腾不出足够的宅基来安排它们。
随着巨型计算机的出现，这些问题会日益严重。
而要解决这些问题，只有将综合功能性的计算机装置逐一分解成许多功能单一的装置，然后再用专门的联接装置将它们一个个地连接起来，但这样一来，计算装置就会变得更加复杂化。
量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。
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
无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。
遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。
在量子计算机中，量子比特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（也称“退相干”）。
因此，要使量子计算成为现实，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方案是：
量子纠错码、量子避错码和量子防错码。
量子纠错码是经典纠错码的类比，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量子计算机。
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。
如何实现量子计算，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和光腔相互作用、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电子计算机一样。
研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。
量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。
量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。
量子计算机能做什么
量子计算机可以进行大数的因式分解，和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。
在利用EPR对进行量子通讯的实验中中我们发现，只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息，正所谓解铃还需系铃人，这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。
此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征
量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。
其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的，因此造价相当惊人。
目前唯一一台量子计算机仍在微软的硅谷老家中，尚在试验阶段，离投入使用还会有一段时间。
升级会员 