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  亓洞歡鍬 2007-06-14 00:00:00

  量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。 20世紀60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會導致計算機中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經(jīng)典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經(jīng)典計算機，并沒有用到量子力學的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。 無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干Z有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究的Z多的一類編碼，其優(yōu)點為適用范圍廣，缺點是效率不高。 迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，Z后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計，而這種新設(shè)計又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導體材料對于電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。摘自《科技日報》

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