時(shí)間：2024-02-03 16:09:31
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關(guān)鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；關(guān)系；原理應(yīng)用
中圖分類號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）15-0001-02
量子物理是人們認(rèn)識(shí)微觀世界結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，它的建立帶來了一系列重大的技術(shù)應(yīng)用，使社會(huì)生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術(shù)已成為當(dāng)前各國研究與發(fā)展的重要科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，同時(shí)信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對(duì)保護(hù)信息安全的高度重視，將成為推動(dòng)量子物理科學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的交融和相互促進(jìn)發(fā)展的契機(jī)。因此，充分認(rèn)識(shí)量子物理學(xué)的基本原理在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展的基礎(chǔ)地位與作用，是促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學(xué)的需要。
1 量子物理基本原理
1）海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理。在量子力學(xué)中，任何兩組不可同時(shí)測(cè)量的物理量是共扼的，滿足互補(bǔ)性。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)其中一組量的精確測(cè)量必然導(dǎo)致另一組量的完全不確定，只能精確測(cè)定兩者之一。
2）量子不可克隆定理。在量子力學(xué)中，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各未知量子態(tài)的精確復(fù)制，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就只能先作測(cè)量，而測(cè)量必然改變量子的狀態(tài)，無法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復(fù)制態(tài)。
3）態(tài)疊加原理。若量子力學(xué)系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個(gè)可能態(tài)。如果一個(gè)量子事件能夠用兩個(gè)或更多可分離的方式來實(shí)現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時(shí)迭加。
4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應(yīng)變化。換言之，存在糾纏關(guān)系的粒子無論何時(shí)何地，都能“感應(yīng)”對(duì)方狀態(tài)的變化。
2 量子物理與現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)系
2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)
物理學(xué)一直是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科并成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，成為推動(dòng)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動(dòng)力和源泉。量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，而且還開拓了一系列新的技術(shù)領(lǐng)域，直接導(dǎo)致了原子能、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、計(jì)算機(jī)、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。可以說，從電話的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，從晶體管的發(fā)明到高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術(shù)，使人類進(jìn)人信息化的新時(shí)代，因此，量子物理學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要。
2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法
現(xiàn)代信息技術(shù)本質(zhì)上是應(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學(xué)作為原子層次的動(dòng)力學(xué)理論，經(jīng)過飛速發(fā)展，已向其他自然科學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域以及高新技術(shù)全面地延伸，量子信息技術(shù)就是量子物理學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的新興學(xué)科，它為信息科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術(shù)獲得了活力與新特性，量子信息技術(shù)也成為當(dāng)今世界各國研究發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，未來的信息技術(shù)將是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)，充分利用量子物理的新性質(zhì)開發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限。
2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)量子物理學(xué)發(fā)展的影響
量子信息技術(shù)應(yīng)用量子力學(xué)原理和方法來研究信息科學(xué)，從而開發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能，反過來，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展大大地豐富了量子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容，也將不斷地影響量子物理學(xué)的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更深刻、更本質(zhì)。近年來，隨著量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，量子信息技術(shù)的發(fā)展也使量子物理學(xué)研究取得了不少成果，如量子關(guān)聯(lián)、基于熵的不確定關(guān)系、量子開放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問題研究取得了巨大進(jìn)展。
3 基于量子物理學(xué)原理的量子信息技術(shù)
基于量子物理原理和方法的量子信息技術(shù)成為21世紀(jì)信息技術(shù)發(fā)展的方向，也是引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。當(dāng)前量子物理學(xué)的基本原理已經(jīng)在量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等方面得到充分的理論論證和一定的實(shí)踐應(yīng)用。
3.1 量子計(jì)算機(jī)——量子疊加原理
經(jīng)典計(jì)算機(jī)建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上，遵循普通物理學(xué)電學(xué)原理的邏輯計(jì)算方式，即用電位高低表示0和1以進(jìn)行運(yùn)算，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來提高運(yùn)算速度。而量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息。計(jì)算方式是建立在微觀量子物理學(xué)關(guān)于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎(chǔ)上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應(yīng)的作用下，量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，因此，量子計(jì)算的并行處理，使量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了最快的計(jì)算速度。未來，基于量子物理原理的量子計(jì)算機(jī)，不僅運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大、功耗低，而且體積會(huì)大大縮小。
3.2 量子通信——量子糾纏原理
量子通信是一種利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學(xué)上理解，量子通信是利用量子力學(xué)的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測(cè)量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學(xué)上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學(xué)中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對(duì)安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。
3.3 量子密碼——不可克隆定理
經(jīng)典密碼是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過經(jīng)典信號(hào)實(shí)現(xiàn)，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子物理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測(cè)不準(zhǔn)原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進(jìn)行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對(duì)稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術(shù)能夠保證：
1）絕對(duì)的安全性。對(duì)輸運(yùn)光子線路的竊聽會(huì)破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系，通訊會(huì)被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應(yīng)的措施。
2）不可檢測(cè)性。無論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力，都會(huì)在對(duì)量子的測(cè)量過程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數(shù)據(jù)。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設(shè)置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對(duì)竊聽者的可檢測(cè)性成為量子密碼的兩個(gè)基本特征。
4 結(jié)論
量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息技術(shù)突破物理極限，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力與源泉。基于量子物理學(xué)的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等，使得量子計(jì)算機(jī)具有巨大的并行計(jì)算能力，提供功能更強(qiáng)的新型運(yùn)算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對(duì)的安全性和不可檢測(cè)性，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的保密通信。隨著量子物理學(xué)理論在信息技術(shù)中的深入應(yīng)用，量子信息技術(shù)將開拓出后莫爾時(shí)代的新一代的信息技術(shù)。
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[關(guān)鍵詞]量子；特性；意識(shí)；應(yīng)用
中圖分類號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0298-01
一、量子的基本知識(shí)
1、量子
我們?cè)谖锢韺W(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測(cè)的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說一個(gè)“光量子”，是因?yàn)閱蝹€(gè)光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個(gè)光量子的能量為單位一份一份地變化的。對(duì)于量子的種種特性，連不少科學(xué)家都為之迷惑，對(duì)于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。
2、量子的特性
量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。
量子疊加就是說量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時(shí)出現(xiàn)在幾個(gè)地方，他的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時(shí)出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)不同的地方。”
而所謂的量子糾纏，則意味著兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。“如果這兩個(gè)光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)的距離，還是會(huì)出現(xiàn)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學(xué)家就可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應(yīng)用將會(huì)改變我們的生活，真正地突破時(shí)空的局限，交通、物流也就不再會(huì)有時(shí)間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星昭示著我國在量子通信領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先的地位。
二、意識(shí)是量子力學(xué)現(xiàn)象
人們的意識(shí)一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學(xué)的電學(xué)、磁學(xué)及力學(xué)方法去測(cè)量意識(shí)是測(cè)量不出來的，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到了意識(shí)是種量子力學(xué)的現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測(cè)量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時(shí)有兩種可能的狀態(tài)：一個(gè)沒有任何心思的人會(huì)看房非房，他的意識(shí)處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動(dòng)念頭。意識(shí)也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動(dòng)念頭了，動(dòng)念頭實(shí)質(zhì)上就是作了測(cè)量。
客觀世界是一系列復(fù)雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識(shí)，他認(rèn)為計(jì)算機(jī)僅僅是邏輯運(yùn)算，不會(huì)產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識(shí)是種量子力學(xué)現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測(cè)量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識(shí)不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個(gè)地方存在著人的意識(shí)。
三、量子技術(shù)的應(yīng)用
科學(xué)家認(rèn)為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，量子糾纏還有很多奇妙的應(yīng)用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。量子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。這其中，量子通信、量子計(jì)算、量子成像、量子生物學(xué)是目前的方向。
1、量子通信
量子通信就是通過把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實(shí)際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)極易遭遇泄密的問題。
2、量子計(jì)算
量子計(jì)算是量子物理學(xué)向我們展示的又一種強(qiáng)大的能力，源自于對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時(shí)，當(dāng)需要模擬的粒子數(shù)目很多時(shí)，一個(gè)足夠精確的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)漫長。而如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從此量子計(jì)算機(jī)的概念誕生。
3、量子成像
量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個(gè)不同的光學(xué)系統(tǒng)中，在其中一個(gè)系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關(guān)聯(lián)測(cè)量，在另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。
4、量子生物學(xué)
量子生物學(xué)是利用量子力學(xué)的概念、原理及方法來研究生命物質(zhì)和生命過程的學(xué)科。薛定諤在《生命是什么》一書中對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機(jī)分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想由脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學(xué)。因此量子生物學(xué)是分子生物學(xué)深入發(fā)展的必然趨勢(shì)，是量子力學(xué)與分子生物學(xué)發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。
愛因斯坦相對(duì)論指出：相互作用的傳播速度不會(huì)大于光速，可是對(duì)于分開很遠(yuǎn)距離的兩個(gè)處于糾纏態(tài)中的粒子，當(dāng)對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動(dòng)性”。量子糾纏是量子物理學(xué)里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會(huì)它，另外從常識(shí)角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學(xué)問題。但另一方面，量子物理學(xué)有很廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展可能帶來行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計(jì)算機(jī)到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學(xué)習(xí)、研究量子物理的動(dòng)力所在啊！
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量子計(jì)算機(jī)是大勢(shì)所趨
所謂量子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單來說就是利用量子攜帶信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，遵循量子算法進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的物理設(shè)備。我們熟知的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“心臟”依賴的是硅芯片，但是一個(gè)芯片的面積總是有限的。
硅晶體管作為在芯片上傳輸信息、處理信息的微型開關(guān)，每年都在縮小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸縮小（現(xiàn)已達(dá)到納米級(jí)）將限制性能的提升。所以，對(duì)晶體管進(jìn)行傳統(tǒng)的尺寸的擴(kuò)展和收縮操作，不能再產(chǎn)生行業(yè)已經(jīng)習(xí)慣的更低功耗、更低成本、更高速度的處理器的效果。雖然英特爾的22納米處理器已經(jīng)面世，還計(jì)劃于2013年推出14納米處理器，對(duì)于10nm、7nm以及5nm的制程研發(fā)路線圖也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的負(fù)10次方米以下，就會(huì)明顯出現(xiàn)量子特性，所以大部分物理學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為，摩爾定律不可能無限維持。
為了突破這道瓶頸，
IBM一直致力于研發(fā)碳納米管芯片，其研究人員在一個(gè)硅芯片上放置了1萬多個(gè)碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅質(zhì)器件更快的運(yùn)行速度。IBM聲稱這一成果有望讓摩爾定律在下一個(gè)十年中繼續(xù)生效。但是，如何獲得高純度的碳、如何實(shí)現(xiàn)完美的制造工藝又是不可避免的問題。
因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)是利用量子攜帶信息的，所以，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)面臨的挑戰(zhàn)恰恰是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。量子計(jì)算機(jī)中的每個(gè)數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，根據(jù)量子力學(xué)原理，粒子的量子狀態(tài)是不同量子狀態(tài)的疊加。所以，量子計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)采用的量子比特在同一時(shí)間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中采用的傳統(tǒng)比特在特定時(shí)間內(nèi)只能代表一個(gè)狀態(tài)——1或者0。這就是量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大的不同之處。由于量子疊加狀態(tài)的不確定性，量子計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，它的潛在應(yīng)用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行任務(wù)最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學(xué)問題。所以，量子計(jì)算機(jī)是大勢(shì)所趨。
實(shí)現(xiàn)方案眾多
量子計(jì)算機(jī)以其獨(dú)特的運(yùn)算邏輯和強(qiáng)大的運(yùn)算性能吸引了無數(shù)研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行研究，也相繼取得了一些成果。量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，所以研制量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于成功操控單個(gè)量子。相信大家一定對(duì)“薛定諤的貓”這一理論并不陌生，關(guān)在密閉籠子里的貓，由于量子狀態(tài)的不確定性，人們永遠(yuǎn)不知道它是活著還是死亡。所以，處于宏觀世界的我們?nèi)绾尾拍軌蛴行Р倏匚⒂^世界的粒子，是極大的難題。從理論上講，量子計(jì)算機(jī)有幾十種體系，從實(shí)驗(yàn)上也有十幾種實(shí)現(xiàn)方法。
阿羅什帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)利用微米量級(jí)的高反射光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子輻射光子的操作；瓦恩蘭的團(tuán)隊(duì)則利用可結(jié)合激光冷卻技術(shù)，在離子阱中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)離子的囚禁；IBM的托馬斯·沃森研究中心組建了一支龐大的研究團(tuán)隊(duì)，依賴耶魯大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校過去幾年在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的進(jìn)展，意欲基于微電子制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算；美國普林斯頓大學(xué)物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家利用電子的自旋特性，尋找到了操控電子的方法；利用聲波和超導(dǎo)材料，也可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的拓展；總部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的鈮金屬（元素符號(hào)Nb，一種類似于銀，柔軟的、可延展的金屬）材料，在低溫下呈超導(dǎo)態(tài)，其中的電流有順時(shí)針、逆時(shí)針以及順逆同時(shí)存在的混合狀態(tài)，而這正可以用來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。
眾多方法中，最值得一提的便是阿羅什和瓦恩蘭的做法。阿羅什構(gòu)造了一個(gè)腔，把單個(gè)光子囚禁在光腔里，實(shí)現(xiàn)量子的操控，再往腔里放入單個(gè)原子，使原子和光子相互作用，通過腔的損耗來調(diào)控它們的狀態(tài)。瓦恩蘭捕獲離子的方法，是用一系列電極營造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，離子如被裝進(jìn)碗里的玻璃球，而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個(gè)離子安靜地待在碗底。他們獨(dú)立發(fā)明并優(yōu)化了測(cè)量與操作單個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)方法，而且單個(gè)粒子在實(shí)驗(yàn)過程中還能保持量子的物理性質(zhì)。
中國科學(xué)院院士郭光燦這樣評(píng)價(jià)阿羅什和瓦恩蘭的成就：量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)超過當(dāng)初的技術(shù)，但是起點(diǎn)是他們。我們現(xiàn)在關(guān)注的不是單個(gè)離子，而是多個(gè)離子的糾纏，比如兩個(gè)腔怎么連在一起，這是將來要做的，此外，還會(huì)有各種各樣的腔，比如光學(xué)腔、物體腔和超導(dǎo)腔等。現(xiàn)在做量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上就是做芯片，把很多離子糾纏在一起，分到各個(gè)區(qū)里面，如果這一步能實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)有希望在這方面實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破。
過程艱難 但前景樂觀
自“量子計(jì)算機(jī)”的概念提出到現(xiàn)在的30年間，科學(xué)家們紛紛涉足，不管是在理論方面，還是實(shí)踐方面，都取得了一些不可忽視的成就。
近幾年來，量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域更是全面開花，量子計(jì)算機(jī)不再是人們“只聞其名，不見其形”的概念型產(chǎn)品。英國布里斯托爾大學(xué)等機(jī)構(gòu)以奧布賴恩為領(lǐng)導(dǎo)的研究人員更是在新一期美國《科學(xué)》雜志上宣布，成功研發(fā)出一種可用于量子計(jì)算的硅芯片。奧布賴恩表示，利用這種芯片技術(shù)，10年內(nèi)可能就會(huì)研制出超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。
想要研制出實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，需要面臨科學(xué)技術(shù)方面的多重挑戰(zhàn)，其中最主要的兩大障礙就是：如何讓粒子長時(shí)間保持量子狀態(tài)，即保持相干性；如何讓盡量多的粒子實(shí)現(xiàn)共同計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)量子糾纏。阿羅什和瓦恩蘭給出的實(shí)驗(yàn)方法均成功地打破了這些障礙，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)性的突破。近幾年來，研究人員以他們的研究成果為出發(fā)點(diǎn)，不斷探索，取得了快速進(jìn)展，可謂前景樂觀。
需要注意的是，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)會(huì)將網(wǎng)絡(luò)安全置于非常危險(xiǎn)的境地，給現(xiàn)有的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)體系以及國防帶來潛在威脅。目前大部分的網(wǎng)絡(luò)保密是使用“RSA公開碼”的密碼技術(shù)。想要破譯這種密碼，就要對(duì)大數(shù)分解質(zhì)因子，這是極其困難的。按照現(xiàn)有的理論計(jì)算，分解一個(gè)400位數(shù)的質(zhì)因子，用目前最先進(jìn)的巨型計(jì)算機(jī)也需要用10億年的時(shí)間，而人類的歷史才不過幾百萬年。然而，量子計(jì)算機(jī)能夠借助其強(qiáng)大的運(yùn)算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴(yán)重動(dòng)搖了RSA公共碼的安全性。
目前，量子計(jì)算機(jī)給人們的印象不過類似于一個(gè)玩具，娛樂價(jià)值似乎更高一些，但是在不久的將來，它一定能夠引領(lǐng)計(jì)算機(jī)世界的潮流。
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量子計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史
1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。
1985年，英國牛津大學(xué)的D. Deutsch進(jìn)一步闡述了量子計(jì)算機(jī)的概念，并且證明了量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典圖靈計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)大的功能。
1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國誕生，它基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。
2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。
2009年，世界第一臺(tái)通用編程量子計(jì)算機(jī)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院誕生。
2010年1月，美國哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。
2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：該中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)。
【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算；量子計(jì)算機(jī)；量子算法；量子信息處理
1、引言
在人類剛剛跨入21山_紀(jì)的時(shí)刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計(jì)算機(jī)的誕生。德國科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室研制成功5個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，而美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行7個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)。它預(yù)示著人類的信息處理技術(shù)將會(huì)再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計(jì)算機(jī)以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。
2、子計(jì)算的物理背景
任何計(jì)算裝置都是一個(gè)物理系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的裝置。量子計(jì)算足以量子計(jì)算目L為背景的計(jì)算。是在量了力。4個(gè)公設(shè)（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認(rèn)為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動(dòng)性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級(jí)）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學(xué)原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級(jí)。而某個(gè)物理客體（如電子）在另一個(gè)客體（姻原子棱）的離散能級(jí)之間躍遷（transition。粒子在不同能量級(jí)分布中的能級(jí)轉(zhuǎn)移過程）時(shí)將會(huì)吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產(chǎn)生了一個(gè)相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對(duì)市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨(dú)特的性質(zhì)為量了計(jì)算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。
3、量子計(jì)算機(jī)的特征
量子計(jì)算機(jī)，首先是能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開關(guān)電路和信息儲(chǔ)存形式，以量子動(dòng)力學(xué)演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計(jì)算，是指組成計(jì)算機(jī)硬件的各種元件達(dá)到原子級(jí)尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計(jì)算機(jī)是一物理系統(tǒng)，它能存儲(chǔ)和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息。量子計(jì)算機(jī)遵從的基本原理是量子力學(xué)原理：量子力學(xué)變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學(xué)變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲(chǔ)、寫入、讀出信息，信息的一個(gè)量子位是一個(gè)二能級(jí)（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個(gè)量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個(gè)極化方向來表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說在量子計(jì)算機(jī)中，量子信息是存儲(chǔ)在單個(gè)的自旋’、光子或原子上的。對(duì)光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉(zhuǎn)動(dòng)一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對(duì)自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場(chǎng)中，通過磁共振技術(shù)來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個(gè)原子存儲(chǔ)的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計(jì)算機(jī)使用兩個(gè)量子寄存器，第一個(gè)為輸入寄存器，第二個(gè)為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實(shí)現(xiàn)。單量子位算符實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個(gè)是控制位，它確定在什么情況下目標(biāo)位才發(fā)生改變；另一個(gè)是目標(biāo)位，它確定目標(biāo)位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動(dòng)。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行交換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：
a）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語言來描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。
b）經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個(gè)性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換（或計(jì)算）只對(duì)應(yīng)一類特殊集。
相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個(gè)限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來描述，如二能級(jí)系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)為：
a）量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；
b）量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。由此可見，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，量子并行處理大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率，使得其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的工作，這是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性之一。
4、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用
量子計(jì)算機(jī)驚人的運(yùn)算能使其能夠應(yīng)用于電子、航空、航人、人文、地質(zhì)、生物、材料等幾乎各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，尤其是信息領(lǐng)域更是迫切需要量子計(jì)算機(jī)來完成大量數(shù)據(jù)處理的工作。信息技術(shù)與量子計(jì)算必然走向結(jié)合，形成新興的量子信息處理技術(shù)。目前，在信息技術(shù)領(lǐng)域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術(shù)，由于運(yùn)算量龐大，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差，不能滿足實(shí)際需要，因此制約了信息技術(shù)的發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)自然成為繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算速度提高，進(jìn)而引導(dǎo)各個(gè)學(xué)科全面進(jìn)步的有效途徑之一。在目前量子計(jì)算機(jī)還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領(lǐng)域中的主要發(fā)展方向，其研究重點(diǎn)有以下三個(gè)方面；
（1）深刻領(lǐng)悟現(xiàn)有量子算法的木質(zhì)，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經(jīng)典算法中的相應(yīng)部分，以便盡可能地減少現(xiàn)有算法的運(yùn)算量；
（2）以現(xiàn)有的量子算法為基礎(chǔ)，著手研究新型的應(yīng)用面更廣的信息處理量子算法；
（3）利用現(xiàn)有的計(jì)算條件，盡量模擬量子計(jì)算機(jī)的真實(shí)運(yùn)算環(huán)境，用來驗(yàn)證和開發(fā)新的算法。
5、量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景
目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以致在宇宙時(shí)間內(nèi)無法完成。量子計(jì)算研究的一個(gè)重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計(jì)算機(jī)首先可用于因子分解。因子分解對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計(jì)算機(jī)能夠以多項(xiàng)式時(shí)間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)還可用于數(shù)據(jù)庫的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未加整理數(shù)據(jù)庫Ⅳ的平方根量級(jí)加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問題。量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算機(jī)視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識(shí)別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會(huì)損失一部分原始信息。
作者簡(jiǎn)介：
量子芯片是在傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)上，充分利用量子力學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效率并行量子計(jì)算的核心部件。“量子芯片”是未來量子計(jì)算機(jī)的“大腦”。
新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時(shí)，該新型多電子軌道雜化實(shí)現(xiàn)量子比特編碼和調(diào)控的方式具有很強(qiáng)的通用性，對(duì)探索半導(dǎo)體中極性聲子和壓電效應(yīng)對(duì)量子相干特性的影響提供了新思路。
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中圖分類號(hào):TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-3973 (2010) 02-106-01
1量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響
自1646年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來,其芯片發(fā)展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達(dá)到原子分子量級(jí)。在享受計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展帶來的種種便利的同時(shí),我們也不得不面臨一個(gè)瓶頸問題,即根據(jù)量子力學(xué)理論,在芯片發(fā)展到微觀集成的時(shí)候,量子效應(yīng)會(huì)影響甚至完全破壞芯片功能。因此,量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展具有決定性作用。
1.1量子力學(xué)簡(jiǎn)介
量子力學(xué)是近代自然科學(xué)的最重要的成就之一. 在量子力學(xué)的世界里,一個(gè)量子微觀體系的狀態(tài)是由一個(gè)波函數(shù)來描述的,而非由粒子的位置和動(dòng)量描述,這就是它與經(jīng)典力學(xué)最根本的區(qū)別。
1.2量子力學(xué)與量子計(jì)算機(jī)
量子力學(xué)的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理決定了粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)確定的()。當(dāng)計(jì)算機(jī)芯片的密度很大時(shí)(即很小)將導(dǎo)致很大,電子不再被束縛,產(chǎn)生量子干涉效應(yīng),而這種干涉效應(yīng)會(huì)完全破壞芯片的功能。為了克服量子力學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制,計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向必然和量子力學(xué)相結(jié)合,這樣不僅可以越過量子力學(xué)的障礙,而且可以開辟新的方向。
量子計(jì)算機(jī)就是以量子力學(xué)原理直接進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī).保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計(jì)算機(jī)的理論。量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和讀寫頭都以量子態(tài)存在的,這意味著存儲(chǔ)符號(hào)可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
近年來的種種試驗(yàn)表明,量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算和分析能力都超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)。它具有如此優(yōu)越的性質(zhì)正在于它的存儲(chǔ)讀取方式量子化。對(duì)量子計(jì)算機(jī)的原理分析可知,以下兩個(gè)個(gè)特性是令量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性的根源所在。
2.1存儲(chǔ)量大、速度高
經(jīng)典計(jì)算機(jī)由0或1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而量子計(jì)算機(jī)可以用自旋或者二能級(jí)態(tài)構(gòu)造量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)位,即量子位。不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態(tài)。
因此,量子計(jì)算機(jī)的n個(gè)量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)據(jù),遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單個(gè)存儲(chǔ)能力; 另一方面量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀取和計(jì)算,遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單次計(jì)算能力。量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)讀取特性使其具有存儲(chǔ)量大、讀取計(jì)算速度高的優(yōu)點(diǎn)。
2.2可以實(shí)現(xiàn)量子平行態(tài)
由量子力學(xué)原理可知,如果體系的波函數(shù)不能是構(gòu)成該體系的粒子的波函數(shù)的乘積,則該體系的狀態(tài)就處在一個(gè)糾纏態(tài),即體系的粒子的狀態(tài)是相互糾纏在一起的。而量子糾纏態(tài)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)不受任何局域性假設(shè)限制,這使兩個(gè)處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠(yuǎn),對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行作用,必然會(huì)同時(shí)影響到另外一個(gè)粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應(yīng), 使得量子計(jì)算機(jī)可以利用糾纏機(jī)制,實(shí)現(xiàn)量子平行算法,從而可以大大減少操作次數(shù)。
3量子計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)
3.1量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)障礙
到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī),它的實(shí)現(xiàn)還有許多技術(shù)上的問題。
量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關(guān)聯(lián)效應(yīng). 然而,環(huán)境對(duì)迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會(huì)使這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)減弱甚至喪失,即量子力學(xué)去相干效應(yīng).因此應(yīng)盡量減少環(huán)境對(duì)量子態(tài)的作用。同時(shí),萬一由于相干效應(yīng)引入了錯(cuò)誤信息,必需能及時(shí)改正,這需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。
另一方面,量子態(tài)不能復(fù)制,使得不能把經(jīng)典計(jì)算機(jī)中很完善的糾錯(cuò)方法直接移植到量子計(jì)算機(jī)中來.由于量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算過程中不能對(duì)量子態(tài)測(cè)量, 因?yàn)檫@種測(cè)量會(huì)改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復(fù)的,因此在糾錯(cuò)方面存在很多問題。
3.2量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀
由于上述兩種原因,現(xiàn)在還無法確定未來的量子計(jì)算機(jī)究竟是什么樣的, 目前科學(xué)家門提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計(jì)算機(jī). 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態(tài),重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點(diǎn)在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。
第二種方案是離子阱計(jì)算機(jī). 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢(shì)阱里, 組成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng),重點(diǎn)在于由激光來實(shí)現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的控制非操作其優(yōu)點(diǎn)在于極度減弱了去相干效應(yīng), 而且很容易在任意離子之間實(shí)現(xiàn)n 位量子門。
第三種方案是硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī). 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息的量子位,重點(diǎn)在于用絕緣物質(zhì)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)代高效的半導(dǎo)體技術(shù)。
此外還有線性光學(xué)方案, 腔量子動(dòng)力學(xué)方案等.
3.3量子計(jì)算機(jī)的未來
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,量子計(jì)算機(jī)也會(huì)逐漸走向現(xiàn)實(shí)研制和現(xiàn)實(shí)運(yùn)用。量子計(jì)算機(jī)不但于未來的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān),更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領(lǐng)域密切相關(guān)。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)是21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的最重要的目標(biāo)之一。
參考文獻(xiàn):
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量子密碼應(yīng)運(yùn)而生
量子計(jì)算的原理與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的原理有很大不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用單路串行操作，而量子計(jì)算機(jī)采用多路并行操作，它們運(yùn)算速度的差異就如同萬只飛鳥同時(shí)升上天空與萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋的區(qū)別。
20世紀(jì)70年代，英國和美國最早開始對(duì)量子計(jì)算的研究。近年來，量子計(jì)算的理論和實(shí)踐都相繼取得重大進(jìn)展，產(chǎn)生了多種新的量子算法，研制了多種量子計(jì)算機(jī)原型。
科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算能力可以在幾分鐘內(nèi)破譯現(xiàn)有任何采用非對(duì)稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。
面對(duì)量子計(jì)算未來可能隨時(shí)“秒殺”傳統(tǒng)密碼的危險(xiǎn)，科學(xué)家致力于尋找不基于數(shù)學(xué)問題，能有效抵抗量子計(jì)算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術(shù)的量子密碼應(yīng)運(yùn)而生，成為對(duì)抗量子計(jì)算的“神器”。
又一個(gè)可能的“技術(shù)差”
二戰(zhàn)中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個(gè)重要工業(yè)城市，不發(fā)出防空警報(bào)任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰(zhàn)的勝利，以及擊落山本五十六座機(jī)等影響戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關(guān)系。一些專家們甚至估計(jì)，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰(zhàn)縮短了8年。
當(dāng)前，戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)已成為連接人與武器、武器與武器的技術(shù)紐帶，構(gòu)成了信息化軍隊(duì)的神經(jīng)中樞。偵察預(yù)警、指揮協(xié)同、武器控制、后勤保障等作戰(zhàn)活動(dòng)均離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定，在體系對(duì)抗中謀取勝勢(shì)的重要前提，而戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全又十分依賴于網(wǎng)絡(luò)通信密碼提供的“安全屏障”。
一個(gè)國家的軍隊(duì)一旦率先實(shí)現(xiàn)量子密碼和量子計(jì)算的武器化，并在戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用，將與對(duì)手形成巨大的“技術(shù)差”，在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對(duì)安全的同時(shí)，可隨時(shí)破譯對(duì)方網(wǎng)絡(luò)通信密碼，洞悉對(duì)手的一舉一動(dòng)，從而占據(jù)絕對(duì)信息優(yōu)勢(shì)，甚至可以直接癱瘓和控制對(duì)方網(wǎng)絡(luò)，由此將置作戰(zhàn)對(duì)手于極為被動(dòng)的不利地位，戰(zhàn)局可能出現(xiàn)“一邊倒”的情況。
以超常措施推進(jìn)軍事應(yīng)用
意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預(yù)見戰(zhàn)爭(zhēng)特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑。”面對(duì)量子信息技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，只有未雨綢繆，盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)和主動(dòng)，避免對(duì)手利用技術(shù)突然性陷我于被動(dòng)。
目前，量子密碼已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示性研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如，美國防高級(jí)研究計(jì)劃局專門制定“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”、研發(fā)量子芯片的“微型曼哈頓”計(jì)劃等。美國正加速推進(jìn)量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統(tǒng)并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊(duì)也相繼制定實(shí)施一系列發(fā)展量子信息技術(shù)的計(jì)劃。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；發(fā)展；應(yīng)用
【中圖分類號(hào)】TP309.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1009-5071(2012)08-0249-01
如今計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了人工智能時(shí)代，新型計(jì)算機(jī)的時(shí)代又將是新一輪的計(jì)算機(jī)革命，這又將對(duì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
1 新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)
信息時(shí)代對(duì)信息的獲得能力決定了一個(gè)國家或者地區(qū)在這個(gè)時(shí)代的發(fā)展能力。全球化已經(jīng)越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發(fā)新型的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的各個(gè)方面都出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等也將在不久的將來進(jìn)入我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，甚至有些已經(jīng)進(jìn)入了我們的生活。
1.1 量子計(jì)算機(jī)：量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是基于量子效應(yīng)理論開發(fā)的，它的運(yùn)算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號(hào)的開和關(guān)，并用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使得信息沿著聚合物移動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單位比以往的計(jì)算機(jī)都要小許多，是用量子位存儲(chǔ)的。具體的表現(xiàn)就是一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，這樣量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)就是比存儲(chǔ)量就變的非常龐大，對(duì)于工作要求存儲(chǔ)量大的電腦用戶來說是一個(gè)極佳的選擇。目前正在研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計(jì)算機(jī)，第二種是硅半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)，第三種是離子阱量子計(jì)算機(jī)。科學(xué)家們預(yù)測(cè)，量子計(jì)算機(jī)將在不久的2030年獲得普及。
1.2 光子計(jì)算機(jī)：光子計(jì)算機(jī)也可以被稱作是全數(shù)字計(jì)算機(jī)，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導(dǎo)線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設(shè)備，用光運(yùn)算的方式代替電運(yùn)算的方式進(jìn)行運(yùn)算。這種計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計(jì)算機(jī)并行處理能力強(qiáng)大，運(yùn)算速度遠(yuǎn)超人們的想象。
1.3 生物計(jì)算機(jī)：生物計(jì)算機(jī)亦稱作DNA分子計(jì)算機(jī)，它的運(yùn)算過程簡(jiǎn)單來說就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)相互作用的過程。計(jì)算過程中需要的轉(zhuǎn)換開關(guān)是用酶來擔(dān)任的，程序的表示也將在酶合成系統(tǒng)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中變得極其明顯。生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比人腦的運(yùn)算速度要快100萬倍，也就是說生物計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算需要的時(shí)間僅僅是10微微秒。這種計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)是驚人的存儲(chǔ)量，根據(jù)計(jì)算，1立方米的DNA溶液可以存儲(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
1.4 納米計(jì)算機(jī)：納米作為一種計(jì)量單位，許多人對(duì)其并不陌生，但是對(duì)其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個(gè)氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米。現(xiàn)在納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域正在從微電子機(jī)械系統(tǒng)中被運(yùn)用，這個(gè)系統(tǒng)是把傳感器、電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)的個(gè)各種處理器放在了同一個(gè)芯片上。這種用納米技術(shù)的計(jì)算機(jī)芯片非常微小，體積一般不過就是數(shù)百個(gè)原子的大小。它的優(yōu)點(diǎn)就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)要強(qiáng)大的多。
2 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展
2.1 現(xiàn)代微型處理器技術(shù)發(fā)展：計(jì)算機(jī)性能的提升關(guān)鍵技術(shù)就是微型處理器的發(fā)展，這種技術(shù)追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實(shí)現(xiàn)減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯(lián)通晶體管的導(dǎo)線和刻蝕于硅片上的晶體管更細(xì)更小的方法來實(shí)現(xiàn)的，這種技術(shù)到現(xiàn)在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個(gè)限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會(huì)受到阻礙，也因此現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)不再追求利用紫外線做光源來提升計(jì)算機(jī)的性能發(fā)展方向了。
2.2 以納米為主的電子科學(xué)技術(shù)：當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展障礙是處理速度和集成度，盡管現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)的電子元件得到了有效的改善，但是相對(duì)于現(xiàn)在要求電子計(jì)算機(jī)的高速化，智能化，和微型化的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 所以今后計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創(chuàng)新手段來完善計(jì)算機(jī)技術(shù)。
2.3 分組交換技術(shù)的發(fā)展：分組交換技術(shù)是把需要傳送的數(shù)據(jù)劃分為一些等長的部分，每個(gè)部分叫做一個(gè)數(shù)據(jù)段的技術(shù)。在這些數(shù)據(jù)段的前面添加一個(gè)控制信息組成首部，就可以構(gòu)成一個(gè)分組。分組通過首部指明了需要發(fā)往的地址，然后節(jié)點(diǎn)交互機(jī)根據(jù)分組的地址，將他們發(fā)往目的地。整個(gè)過程就是分組交換過程，這種技術(shù)很好的提升了通信的效率。
3 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展方向
現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)在人們的生活中已經(jīng)扮演了一個(gè)非常重要的角色，但是它的角色只會(huì)變得越來越重要，因?yàn)橐杂?jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，人類將進(jìn)入智能化、物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代。
3.1 納米技術(shù)需要大力發(fā)展：納米技術(shù)不受到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)集成和處理速度的限制，納米技術(shù)就成了今后計(jì)算機(jī)技術(shù)大力發(fā)展的一個(gè)方向了。今后出現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展都有賴于納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為推動(dòng)今后計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，大力發(fā)展納米技術(shù)也成了一個(gè)必要的選擇。
3.2 著力改善計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)是一個(gè)具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)，也是一個(gè)組合體。當(dāng)代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時(shí)處理不同問題的能力，這種功能就是是當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流結(jié)構(gòu)：并行計(jì)算。另外大型電腦有一個(gè)群集的發(fā)展趨勢(shì)，使用戶對(duì)相融性和可靠性的需求獲得提高。
3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動(dòng)計(jì)算機(jī)智能化、物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展：大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們今后進(jìn)入智能化、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代都要依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。今天的人們之所以離不開計(jì)算機(jī)，一個(gè)主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)，人們?cè)诩依锒伎梢詫?shí)現(xiàn)購物，娛樂，獲取信息等目的。
