量子计算机的实现与困难.docx

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量子计算机的实现与困难

山西师范大学本科毕业论文

量子计算机实现的困难与决策

姓名

郑晓慧

院系

物理与信息工程学院

专业

物理学

班级

0902

学号

0955030132

指导教师

杨国晖

答辩日期

成绩

量子计算机实现的困难与决策

内容摘要

量子力学是物理学的一个分支，它具体来研究处于微观领域中的微粒的特性。

量子计算机是随之而起的一门新兴学科，它是量子力学与计算机科学相结合的产物。

它进行存储与处理信息、数学和逻辑运算时就要用到量子力学规律。

它是随着解决现有计算机中的耗能而产生的，而耗能是由于现有计算机执行计算时是不可逆造成的，后来知道利用幺正变换可把不可逆转换为可逆过程，这就引起了人们对量子计算机的研究。

现有的计算机在处理数学问题上有一定的局限，量子计算机正好可以突破这种局限，正是因为这个原因它才可以受到很多人的关注。

本文首先介绍了量子计算机的发展历程、它工作的基本原理及其相比现有计算机的优越性；其次总结了实现量子计算机的四大主要困难及其决策；然后回顾了量子计算机的发展进程，最后作了总结：

量子计算机总有一天会被实现。

【关键词】量子计算机实现的困难量子相干性并行性窗体顶端

Alpha

“”的用法示例：

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字典

窗体底端

Aquantumcomputerimplementationdifficultyanddecision-making

Abstract

Quantummechnicsisabranchofphysics,whichspecificallytostudythecharacteristicsoftheparticlesinthemicroscopicfield.Quantumcomputerisaemergingdiscipline,itisacombinationproductionofquantummechanicsandcomputer.Itisnecessarytousequantummechanicslawsforitwhenstoragingandprocessinginformation,mathematicalandlogicaloperations.Itisgeneratedbysolvingtheenergyconsumptionofcomputer,energyconsumptionisduethatexistingcomputerperformthecalculationresultisirreversible,laterwerealizedthatirreversiblecanbereversibledbyunitarytransformation,whichgivesrisetoresearchofquantumcomputer.Existingcomputerhavelimitationsindealinfwithmathproblems,whilequantumcomputercanbreakthelimitations.Itisreasonthatitcanbethetopicsofmanypeople.Thispaperfirstlydescribesthedevelopmentprocessofaquantumcomputer,thebasicprincipleofitsworkanditssuperioritycomparedtoexistingcomputer,secondlysummarizesthefourmaindifficultiesanddescision-makingofimplementingquantumcomputers,thenwereviewedthedevelopmentprocessofquantumcomputer.Finallywesummarizedthatquantumcomputerwillberealizedoneday.

【KeyWords】quantumcomputerdifficultycomputercoherenceparallelism

目录

量子计算机实现的困难与决策5

一、量子计算机的发展历程5

二、量子计算机的基本原理5

（一）量子计算机的基本构件5

（二）量子计算机的优越性6

三、量子计算机实现的困难与决策6

四、量子计算机的发展进程与展望8

参考文献9

致谢9

量子计算机实现的困难与决策

学生姓名：

郑晓慧指导教师：

杨国晖

1946年出现了首台电子计算机，它的电子元件逐步发展，经历了从电子管到半导体晶管，到一代一代集成芯片的过程，现在它已成为推动科学技术发展的强有力工具，对国民经济各个领域的进步有直接影响。

但是，电子计算机能力的进一步提高会受到很多因素的制约。

例如，目前计算机芯片的布线间隔已达到0.1微米。

根据前28年来芯片工艺的发展规律，平均每十八个月计算机芯片集成度就要增加一倍。

如果按照这个速度发展，20年后布线间隔就要达到分子或原子数量级，这时会进入微观领域，它就要用到微观粒子中的量子理论。

近几年，人们致力于理论研究和实验技术的突破使我们看见了实现量子计算机的光明前景。

一、量子计算机的发展历程

关于量子计算的想法第一次是被贝里奥夫在1982年提出的，他用这个思想与经典计算类比设计了一个可运行的量子图灵机。

接着，费恩曼（Feynman）提出了量子计算机可以模拟其它量子系统的想法。

1985年丹尼兹设计出了一个计算机模型，它是以量子干涉为基础的，后又提出了实现量子算法需要用到的量子逻辑门，并对量子计算出现错误原因和该怎么修正这些错误等问题作了解释。

但在80年代中期时，人们认为量子计算机与外界环境没有相互作用，因此把它视为一个孤立的系统，，它不是一个实际存在的模型，所以被当时的人们冷落了。

到80年代后期时，很多人对量子计算机的研究兴趣逐渐升温。

在1993年，SethLloyd提出许多物理系统可用来实现量子计算机，且这些物理系统在某种情况下还可以避免热噪声、退相干等问题。

1994年Shor提出里一种量子算法，它可以在几秒内就计算出现有计算机不能完成的计算工作。

一些科学家们也提出了一些设计方案如核磁共振、齿轮箱和离子阱量子计算机等都可以用来执行量子计算。

另外，人们也一直致力于量子电路、量子逻辑门的设计，关于它们的方案也在不断研究与更新，总之，实现量子计算机的一系列问题正在快速发展。

二、量子计算机的基本原理

（一）量子计算机的基本构件

1.量子位与量子存储器

量子计算机的基本信息单元为量子位。

它其实是一个处于双态的体系，这两个双态可以分别用

和

来表示。

因此在希尔伯特空间中，以

，

作为基矢就可表示出其他的态。

原子中的电子所处的状态可分为两大类，原子中核子处于向上或者向下的自旋态，光的偏振状态有两个等等有两个状态的物理体系都可以表示计算机中的双态体系。

例如，原子中的核子自旋向上，用

表示；原子中的核子自旋向下，用

表示。

量子存储器其实就是量子位的集合体，因为一个量子位可以有两种选择，那么三个量子位就有8个选择，这样的存储器就有如下8个基矢，见下表1

表1

式中

，

是二进制的态矢；

，

，…是存储器十进制的态矢。

那么如果一个存储器有L个量子位，那么它在希尔伯特空间中就共有

个基矢

。

2.量子门

要想控制量子态必须通过量子门，由于不同的量子门分别操纵不同数目的量子位，那么量子门有一、二、三位门等。

量子门是通过对量子位

的作用来定义的。

用

表示

，用

表示

。

最常用的量子门有：

P门、非门、Z门、Y门、单位门、H门、W门。

量子门可用核磁共振、腔量子电动力学、离子阱、量子点等许多种方法来实现。

例如，让光子经分光器分解为两种互相垂直的偏振状态，这就是一个双态量子体系，再让它通过1/4或1/2波片，这就是P门。

（二）量子计算机的优越性

相比现有的计算机，量子计算机之所以有很大优越性在于量子计算基于微观粒子的一系列基本特性：

相干叠加性、并行性、纠缠性、测量塌缩等。

具体表现在：

1.巨大的存储量

在现有的计算机中，有L个经典位的存储器可以表示

个状态，但在任一时刻，只有

个状态中的一个被保存。

在量子计算机中，具有L个量子位的存储器也只可以表示

个状态，但由于量子态具有不同于经典态的特殊的性质，它能在同一时间保存

个状态。

2.量子并行运算

计算一个函数

，现有的计算机只可以计算一个x处对应的值而不能计算不同点处的值，幸运的是量子并行运算可以使量子计算机来解决这一个难题。

详细地说，在现有的计算机中，操作一次存储器只可以得到一个存储器的状态：

相比在量子计算机中，进行一次操作就可以得到

个存储器的状态，这相当与现有的计算机重复地操作

次。

三、量子计算机实现的困难与决策

既然可供实用的量子计算机还未实现，那就说明实现量子计算机仍然面临许多待解决的困难。

根据对近年来有关实现计算机报道资料的分析，总结出目前实现量子计算机中需要解决的四个困难：

1.对量子隐性远程传态进行测量会造成波包塌缩。

现阶段，科学家们所设想的远程量子通讯网络以量子隐性传态为理论基础利用光子粒子体系来传输量子信息，同时采用粒子来记录和控制量子信息。

在这个领域中，量子隐性传态理论仍处在萌芽期，我们必须加快脚步。

2.在一个多自由度系统环境中会出现小系统的量子耗散；小系统的量子耗散对计算机的计算结果有影响，之所以有影响这是由于用来表示信息的原子状态不稳定，在读数的那个时候，它的状态会发生变化，这就造成了计算结果不准确。

为了克服这一难点，科学家们采用核磁共振技术就可以使读数准确。

在一个数值固定的外磁场中放入一个粒子，由于不同的粒子有不同的极化方向，并且不同的粒子也有不同的自旋取向，这样在磁场中，一个粒子就只可以以某一种状态存在，如果把一个交变电场再加于这个状态上，这时就可通过改变它的频率来控制粒子的运动，使它的一种运动就是一个数据。

3.在量子固体电路中，处于常温、常压下的量子态如何运行是又一技术难点。

由于这几年芯片技术的迅猛发展，我们可以在硅片上刻蚀金属导线。

只要当流过它的电流是在100微米上时，就可以在常态下形成量子态。

4.量子退相干效应。

在量子计算机运算的过程中，或多或少周围的环境会对它有一定的影响，这就会引起信息的丢失，把这叫做退相干。

这是实现量子计算机面临的主要难题，现在有两种办法可以克服退相干：

（a）量子编码，量子编码原理就是用附加的量子位去修正由退相干造成的错误，而不需要对它进行测量。

量子编码的思想类比经典编码的思想，都是以适当的方式引入信息冗余来提高抵抗外界的干扰。

但是由于量子信息不同于经典信息,量子编码的难度远比经典编码大,表现在三方面：

经典编码时可以将单比特拷贝为多比特,但是量子比特具有不可克隆的性质，它的量子态就不可进行拷贝。

经典编码是通过测量来寻找错误原因的,而量子编码时如果对态进行测量那么态就会塌缩。

经典编码的错误只可以在0和1之间波动,而量子编码的错误则是在二维希尔伯特空间中的任意态波动,有数不尽种可能。

由于以上的原因,量子编码的进度很慢。

第一次出现的的两个方案是Shor和Steane先后想出的，他们的思想如下:

在既遵守量子不克隆定理，又引入信息冗余的条件下，将单量子比特经过一些程序编码为一个纠缠态。

在寻找错误原因时,只进行部分测量可以使这个态投影到一个以三个基本量子错误为基矢的空间内,在这个空间里,仍保持信息位间的相干性，所有的量子错误都可以在这个空间表示出来,因而只要这三种基本量子错误被修正,那么所有的量子错误就都可以被修正。

目前,纠一位错的编码方法已较成熟,且能被统一在群论的框架下。

但纠多位错的编码方案还待发现。

（b）尽可能地将系统孤立起来以保护量子相干是克服退相干的另一种方法。

可以通过离子阱和原子阱技术，固体和液体中的核自旋技术，利用被限制的电子态以及利用超导体中的电子态等来尽可能地使系统孤立。

为了不让外界能影响量子门，2001年9月,麻省理工学院的Viola在实验上做到了在不是噪声的一个小系统中处理量子信息。

2001年12月，麻省理工学院的一个研究中心利用了分子中的7个自旋为1/2的原子核实现了15=3×5的Shor量子算法的因子分解。

四、量子计算机的发展进程与展望

这些年，社会对计算容量的需求越来越高，从而造成了量子计算机的迅猛发展。

在此我们回顾一下量子计算机的发展进程。

1994年进程

1994年出现了首台量子计算机，开始它只可以做一些简单的运算，就像加减乘除一样，但这对量子计算机的进一步发展有很大的帮助。

2001年进程

IBM公司在2001年构造出了具有七位量子比特的计算机，它是基于核磁共振技术实现的。

2007年进程

在2007年，一个加拿大公司D-Wave让地球人看到了第一台商业用途的量子计算机，并给它起名为“猎户座”，并向人们展示了“Orion”是怎么来运行商用程序的，在解决特定问题上与经典计算机作了比较从而显示了其巨大的优势，由此揭开了“世界上第一台商用量子计算机”的神秘面纱。

虽然这个机器只能解决某些问题，不过也让我们看见了它的光明前途。

2009年进程

2009年出现了第一台可编程的量子计算机。

刚开始的试验表明，该计算机仍然存在一些问题需要进一步提高与完善。

但由此可推出可编程量子计算机离正式投入应用的日子越来越近。

加拿大公司D-Wave一直致力于研制量子计算机，在研制量子计算机上，该公司最有实力。

如果D-Wave处理器增加一个量子位，那么它的计算能力就会增加一倍。

这个加拿大公司在2012年底的最大成果是构造出了一个量子计算机，特殊的是它具有512个量子位，这些都可以说明这个公司有能力让量子位的数量每年增加一倍。

五、小结

回顾以上量子计算机的进程，我们知道从理论上来说某一天可以实现量子计算机。

但是在实现过程中某些环节还需进一步探索与完善。

总之，在实现量子计算机的过程中我们必定会遇到许多困难，但是我们不能放弃因为在原则上已没有困难。

从现在的发展情况，我们可以推测，量子计算机有一天必将被实现。

量子计算机在某些方面优于经典计算机，它的实现对全世界必定有着很大的影响，它也将会对世界上所有人的的生活有重大影响。

参考文献：

（1）.汪德新，量子力学第三版（光盘部分）,科学出版社，2008

（2）.赵千川，量子计算与量子信息（量子计算部分），清华大学出版社，2003

（3）.李承祖，量子计算机研究（上）：

原理和物理实现，科学出版社，2011

（4）.周正威/黄运锋/张永生/郭光灿,量子计算的研究进展,2005

（5）.李建明/李锋,量子计算与计算机科学,计算机时代，2009

（6）.惠小强/陈文学，21世纪的计算机—量子计算机，西安邮电学院学报，1999

（7）.龚辉,项湜伍,量子计算机,上海电机学院学报,2007

（8）.谷国太，对量子计算机的探讨，河南工业大学学报，2006

致谢：

时间过的很快，在山西师范大学大学我度过了四年的美好时光，转眼便是大学毕业的时候。

离校的日子也将要到来，我的毕业论文也将要完成。

在快要完成论文的时侯，我的心情非常激动。

首先从论文的选题到收集最后到撰写与编排论文整个过程中，许多人帮助了我。

我首先要感谢杨国晖老师，在选论文题目的时候，他不耐其烦给我讲了很多有关知识使我最后选择量子计算机实现的困难与决策这个具体题目，让我在写论文时有了具体方向。

其次，要感谢杨老师的学生虞日敏学姐，在制定论文提纲时，我的思路很模糊，但经过虞日敏学姐的点拨，让我具体写作时思路顿时清晰。

在初次完稿后，她仔仔细细的看了我的文章，并划出了文章中我出现的很多问题。

在这里我非常感谢杨老师与虞学姐的热情帮助，我的毕业论文才能顺利完成。

最后要感谢的是我的同学与舍友们，由于我对WORD不是很熟练，她们经常帮忙修改，并对我的论文格式做出指导。

正是因为有热情的同学与舍友们的帮助，我才可以顺利完成毕业论文。

在这里，我也向山西师范大学物理系的所有老师们由衷的表示感谢：

谢谢你们对我四年的辛勤栽培！