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近代物理课程论文格式

编号:

课程论文

题目量子计算机的发展及现状

指导教师张素真

学生姓名王富吉

专业200900801003

教学单位（盖章）

二O一二年六月一日

摘要

计算机的出现极大的推动了社会的发展，科技的进步使得计算机的运行速度越来越快，创建新一代高性能的、安全通信的计算机已经成为当前研究的热点，进几年的研究表明，应用量子信息的产生、载荷、传播和处理，可构造高性能的量子计算机。

其具备的量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面可突破现有的经典信息系统的极限。

本文简述量子计算机的概念、提出、发展及现状。

关键词：

量子计算机量子信息

ABSTRACT

TheexpXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX（英文摘要内容：

三号TimesNewRoman）

Keywords（四号黑体）：

XXXXX（四号TimesNewRoman）

Theexperienceofcomputer

第1章概述

量子计算机，是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机，[1]是一种全新的基于量子理论的计算机。

不同于使用二进制或三极管的传统计算机，量子计算机应用的是量子比特，可以同时处在多个状态，而非像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。

鉴于这种特性，量子计算机可存储和处理的信息是传统计算机不可企及的。

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称为量子超态。

原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机0与1完全吻合。

如果把一群原子聚在一起，它们不会像电子计算机那样进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算，例如量子计算机处理数据时不是分步进行而是同时完成。

只要40个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。

量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比目前的奔腾4芯片快10亿倍，可以在一瞬间搜寻整个互联网信息。

[1]

第2章量子计算机的现状

1．1量子计算机的工作原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。

但量子计算机要远远更为强大。

它们可以在量子位（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。

假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。

常识告诉，我们原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。

但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和[2]。

在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

　　现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。

如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。

通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

1．2量子计算机的特点

量子计算机的特点

　　量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits））,量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。

　　1.量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交[1]；

　　2.量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。

得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。

　　由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。

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

图2-1承载16个量子位的硅芯片

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[2]。

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

机无法解决的问题。

1．2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。

图2-2硅芯片上16个量子位的光学照片

　　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[3]。

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。

量子计算机当然不是给我们用来玩电子游戏的，因为这好比拿激光切割机去切纸，其主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。

在运行这一系列高难度运算的背后，是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。

　　假设1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量，但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽，这是最保守的估计；如果一台量子计算机一天工作4小时左右，那么它的寿命将只有可怜的2年，如果工作6小时以上，恐怕连1年都不行，这也是最保守的估计[4]；假定量子计算机每小时有70摄氏度，那么2小时内机箱将达到200度，6小时恐怕散热装置都要被融化了，这还是最保守的估计！

　　由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们的生活还将有一段漫长的距离，就让我们迎着未来的曙光拭目以待吧！

第3章量子计算机的发展

3．1量子计算机的提出

布洛赫球面是一种对二阶量子系统纯态空间的几何表示法[2]，是建立量子计算机的基础。

量子计算机早先由理查德·费曼提出，开始是从物理现象的模拟而来的。

可他发现当模拟量子现象时，庞大的希尔伯特空间使资料量变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。

理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。

量子计算机的概念从此诞生。

图3-1布洛赫球面

3．2量子计算机的发展阶段

1.20世纪后半叶计算机技术大行其道，人类进入信息时代。

随着计算机芯片的集成度越来越高，元件越做越小，集成电路技术现在正逼近其极限，科学家们看到传统的计算机结构必将有终结的一天，而且尽管计算机的运行速度与日俱增，但是有一些难题是计算机根本无法解决的，例如大数的因式分解，理论上只要一个数足够大，这个难题够目前最快的计算机忙几亿年的[1]。

2.几十年前，一些先驱者，如美国IBM公司的Charles H. Bennett等人就开始研究信息处理电路未来的去向问题，他们指出，当计算机元件的尺寸变得非常之小时，我们不得不面对一个严峻的事实：

必须用量子力学来对它们进行描述。

八十年代初期，一些物理学家证明一台计算机原则上可以以纯粹的量子力学的方式运行，之后很长一段时间，这一研究领域渐趋冷清，因为科学家们不能找到实际的系统可供进行量子计算机的实验，而且还尚不清楚量子计算机解决数学问题是否会比常规计算机快[4]。

3.进入20世纪90年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。

尤其值得一提的是1994年美国贝尔实验室的Peter W. Shor证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。

这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的RSA公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击，几年后Grover提出“量子搜寻算法”，可以破译DES密码体系。

于是各国政府纷纷投入大量的资金和科研力量进行量子计算机的研究，如今这一领域已经形成一门新型学科-量子信息学[1]。

3．3量子计算机的主要成果

1.首次实现双光子的量子漫步，奥布莱恩教授介绍称，在实验中，研究者成功让两个完全相同的光子“走”过一个硅芯片上的电路网，从而完成了一种被称为量子漫步（Quantum Walk）的物理过程。

之前已有研究人员搞过单光子的量子漫步，此次双光子的量子漫步则是首次实现和被观测到。

接下来，科学家还要在这种光子芯片上进行三光子甚至多光子的量子漫步。

2.从单光子到双光子并不是简单的跨越，要实现光子间的这种相互作用，必须保证这两个光子在所有方面完全相同。

通过操纵双光子系统，计算能力将得到指数级提高。

3.能解决“不计其数”的难题，这项技术开辟了量子信息科学的一个新领域，为实现量子计算铺平了道路，而量子计算的实现将帮助我们理解最为复杂的科学问题。

4.虽然前路艰难，但这一研究未来极有可能带来一系列重大科学突破——如果说单光子的量子漫步能产生10项突破，那么双光子的量子漫步就能有100项，三光子就能有1000项，更多光子的量子漫步所能为人类解决的难题是难以估计的。

5.亦可用于更多领域，我们的技术不仅能帮助人们更好地理解这些重要的物理现象，还能应用在高效太阳能电池、超高速搜索引擎、高科技材料和新药开发等领域。

基于多光子量子漫步的量子计算机则可用来模拟诸如超导、光合作用等由量子力学规律主导的复杂现象。

6、现在这个由布里斯托尔大学、日本东北大学、以色列魏茨曼科学研究所和荷兰屯特大学的科学家组成的国际研究小组将利用光子芯片来进行量子力学模拟，并准备通过增加光子数和增大芯片尺寸等手段来完成更复杂的实验。

3．4世界首台量子计算机

2009年11月15日，世界首台量子计算机正式在美国诞生，这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制，可处理两个量子比特的数据[4]。

较之传统计算机中的“0”和“1”比特，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。

　　研究人员‘大卫·汉尼克’表示，通用编程量子计算机采用了量子逻辑门技术来处理数据。

制造量子逻辑门需设计一系列激光脉冲，以操纵铍离子进行数据处理，再由另一个激光脉冲读取计算结果。

一个简单的单量子比特门，可从0转换成1，也可从1转换成0。

但与传统计算机的物理逻辑门不同的是，这台设备的量子逻辑门均已编码成激光脉冲。

当激光脉冲量子门对量子比特实行简单逻辑操作时，铍离子便会开始旋转，实现对量子比特的存储。

　　这台量子计算机的核心部件是具金色图样的铝晶片，内含直径约为200微米的电磁圈。

科学家将两个镁离子和两个铍离子置于电磁圈中，镁离子可起到“稳定剂”的作用，消除离子链的不必要振动，保持计算机的稳定性。

　　由于两个量子比特的操作具有多种可能，研究小组随机选取了160种操作方式进行了演示，以验证处理器的通用性。

每次操作都用31个不同的量子门击打量子比特，将其编码成激光脉冲。

这其中大部分为单量子比特门，脉冲只需要与单一离子进行相互作用。

少数的双量子比特门则需要与两个离子同时发生交互作用。

而通过对电磁圈旁黄金电极上的电荷进行控制，研究人员能有效增加所需的离子数量。

　　不过，这一量子计算机仍存在着相当的问题。

例如，尽管每个量子门的准确率都在90%以上，而当综合使用时计算机的整体准确率却下降到79%。

这主要是由于激光脉冲的强度不同所造成的，汉内克解释说：

“脉冲的波动性可造成这种误差，而光线的散射和反射等，也可能是原因。

”

　　研究小组表示，通过提升激光的稳定性和减少光学设备的误差，可有效提高芯片的运行准确率[4]。

在准确率提升至99.99%时，该芯片才能作为量子处理器的主要部件，最终实现通用编程量子计算机的实际应用。

第4章未来展望

图2-1IBM的量子计算机采用一个含5个氟原子的分子

1.现在用原子实现的量子计算机只有5个q-bit，放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备，只能做1+1=2的简单运算，正如Bennett教授所说，“现在的量子计算机只是一个玩具，真正做到有实用价值的也许是5年，10年，甚至是50年以后”，中国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称，他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的量子密码，来服务于社会！

科学技术的发展过程充满了偶然和未知，就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到，为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态，在六十多年后不仅被证明是存在的，而且还被用来做量子计算机。

2.由英国布里斯托尔大学领导的国际研究小组日前成功研制出速度更快、信息存储量更大的光粒子（以下简称光子）芯片，为量子计算开辟了新道路[3]。

科学家相信，人类有望在10年内制造出量子计算机，实现传统计算机无法完成的复杂运算。

结论

1.社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力，从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。

2.近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展

3.

×××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）×××××××××××××××××××××…………

第5章（作为正文第1章标题，用小三号黑体，居中，并留出上下间距为：

段前2行，段后1.5行）

×××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）×××××××××××××××××××××…………

1．1××××××（作为正文2级标题，用4号黑体）

×××××××××（小4号宋体）××××××…………

1.1.1××××（作为正文3级标题，用小4号黑体）

×××××××××（小4号宋体）×××××××××××××××××××××××××××…………

在正文中参考文献引自何处要标明，并于后面的参考文献号一一对应，参考文献的标注要以上标形式给出。

表格与插图，要求表有表头，图有图标的字体一律用5号宋体；

例如：

图2-1草酸氧钛钡分解示意图

致谢（要求同上）

×××××××××（4号宋体，1.5倍行距）×××××××××××××××××××××…………

参考文献（要求同上）

1×××××××（小4号宋体，1.5倍行距）×××××

2××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

3××××××××××××××××××××××

…………

格式：

1.作者.书名.出版城市：

出版社，出版年份：

引用页码范围（引用书）

2.作者.文章名称.杂志名称.出版年份.卷号（期号）：

引用页码范围．

例如：

1.薛秀谦，宋晓秋.运筹学.徐州：

中国矿业大学出版社，2002：

12-18

2.华罗庚，王元.论一致分布与近似分析.中国科学，1973.3（16）：

339~357

3.张筑生.微分半动力系统的不变集研究：

[学位论文]，北京：

数学系统学研究所，1983

4.BorkoH，BernierCL．Indexingconceptsandmethods.NewYork:

AcademicPr,1978

…………

附　录（有必要时）