量子计算机 (物理装置)

量子计算机(quantum computer),顾名思义,就是实现量子计算的机器。它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。量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态。其运行的是量子算法,处理速度惊人,比传统计算机快数十亿倍。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。

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    1简介

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    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为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。  

    相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。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(称为量子位(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的正变换。 

    2特点

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    其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制串行0110110,用量子记号,即|0110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:C1|0110110 >+ C2|1001001>。

    经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。 

    因此量子计算机的特点为:

    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;  

    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。

    3工作原理  

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    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。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。

    4历史  

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    早先由理查德·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数据量也变得庞大。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。理查德·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——量子信息科学,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(Peter Shor)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。  半导体靠控制集成电路来记录及运算信息,量子电脑则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。  

    1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)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位的量子电脑,就能解开1024位电脑花上数十年解决的问题。

    5用途  

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    1、 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。  

    2、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。  

    3、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。

    6未来展望  

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    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”,我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。  

    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。  

    美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。

    7发展轨迹  

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    2007年2月
    D-Wave 量子计算机D-Wave 量子计算机

    加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机(尚未经科学检验),如果他们是诚信的,这个工作的意义就非常重大,或许,可实际应用的量子计算机会在几年内出现,量子计算机的时代真的要开始了!  

    2010年3月31日

    德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机,该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机,在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。

    2015年3月

    Google和加州大学的研究人员展示了他们可以对量子点进行编程,编程后设备会利用量子物理来表达信息,也能检测某些类型的错误,并防止这些错误对计算产生干扰。这次新进展主要来自于由John Martinis所领导的研究人员,John Martinis是加州大学的教授,与此同时他在去年也加入了Google并成立了量子计算研究实验室。

    Google自2009年起就一直在探索量子计算机,Google一开始就与D-Wave Systems共同合作这个项目,这是一家创业公司并销售了第一台商用量子计算机。微软也有一个相当大规模的量子计算机研究计划。

    2015年7月

    阿里已经和中科院共同成立了一个量子计算机研究室,其中中国科学院在量子信息技术方面处于国际先进水平。该实验室计划到2025年,量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平,2030年达到目前顶级超算的百亿亿倍。

    2016年10月

    据国外媒体报道,研究团队已利用金刚石和硅造出全球首个量子计算机桥。

    通过在金刚石基底中强力嵌入两个硅原子,研究团队制成了一个单一芯片。这一芯片包含了所有需要用来制作量子桥的组件,而量子桥可用于连接量子计算机。

    目前,科学家已造出小型的量子计算机。据推测,最好的量子计算机未必是体型巨大的计算机,数台相互连通的小型量子计算机或许能实现更出色的性能。

    通过利用在量子桥或网络上分配的量子数据阵列,有望实现新型的量子感测(quantum sensing)形式。量子关联(quantum correlation)允许网络中的所有原子以类似于单个原子的方式发挥作用。这是量子计算机中出现的集体行动。

    研究团队实施的实验用到了浓缩离子束注入机。研究者破坏了金刚石基底中一些精确位点上的单个离子,并利用这一植入方法把金刚石的碳原子替换成较大的硅原子。

    在实验操作过程中,硅原子两侧的两个碳原子因空间不足而逃离。此后,剩下的硅原子占据了更大的空间,并通过邻近的非导电空位来缓冲杂散电流。

    这些硅原子虽然位于固体中,但它们的表现就如同在气体中漂浮一般。因此,它们的电子对量子刺激的反应不会受到其它物质的影响。整个操作包括将硅原子准确地嵌入到原先设定的位置上。

    创建数千个这样的嵌入位点将有助于实现量子计算机运行时的高效性。原子被植入到金刚石基底表面下方并在适当位置上退火。

    在发现这种新方法前,科学家们不得不极其费劲地进行一系列操作来实现这一结果。

    一旦硅原子就位,激光产生的光子会让这些原子进入更高的原子能态中。当这些原子最终进入较低的原子能态时会发射光子。这项实验对量子计算的未来具有很大意义。

    这项研究结果发表在美国《科学(Science)》杂志。

    8工作方式示例

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    量子计算机本身处理的是量子数据,那么要实现超强的功能就需要有量子。我们要把原子量子化,那么便需要从囚禁原子开始。

    囚禁原子是原子物理学的一种新的实验平台,研究人员可以用此方法自由操纵单个原子,此步骤完成后,就可以开始冷却原子。可以说,囚禁原子是量子计算机的通用方案。

    plug光路,用于囚禁原子plug光路,用于囚禁原子

    在原子被“囚禁”后,就需要降低原子的温度,一般超冷原子的温度需要接近绝对零度(100nK)。

    因为原子在常温下的速度高达到数百米每秒,只有让原子保持在极地温度状态,才可受控制。图中系统是模拟凝聚态物质中的量子现象,如高温超导等。

    操作原子的激光器系统操作原子的激光器系统

    该系统主要用于操控原子的量子态,这是冷却原子后的下一步,如何保持长时间的量子态是最大的技术瓶颈。

    科普:电子做做稳恒运动是的状态叫量子态,目前,量子态隐形传输的距离的距离最远可达16km。

    制备并研究极低温分子制备并研究极低温分子

    此外,量子计算机还致力于控制分子的状态。分子在常温下会做不规则的热运动,温度越低分子运动的越慢,在低温情况下更易受控制,进一步进入量子态。

    超低温状态下的原子超低温状态下的原子

    一般情况下,超冷原子的温度在百纳开左右(接近绝对零度0K),在此情况下就可以进入量子态。

    9量子计算机在中国的发展

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    2016年,中国领先发射量子卫星,并进行了包括量子纠缠在内的一系列最前沿实验。

    20179月,世界上最长最复杂的量子密钥分配(quantum key distribution)网络在北京和上海之间建设完成,这条超级安全的通讯线路已经成功完成测试,未来将被用于军事、政府和金融部门等。

    20179月,据媒体报道中国正针对量子技术的应用建造一座大型研究中心,最终目标是建造计算能力是目前世界上所有计算机计算能力总和百万倍的量子计算机。

    资料图片:2016年6月20日拍摄的“神威太湖之光”超级计算机。新华社记者李响摄资料图片:2016年6月20日拍摄的“神威太湖之光”超级计算机。新华社记者李响摄

    这座占地37公顷的中心将建造地点选在了安徽省合肥市在宣布建造该中心前,中国科学院于近期进行了全球首次基于量子加密通讯技术的视频通话,并且也已完成一条量子加密通讯光纤干线的建造工作。

    这座名为量子信息科学国家实验室的新超级中心计划于2020年启用。中心有两大主要研究目标:量子计量学以及建造计算能力强大到让目前世界上的所有计算机相形见绌的量子计算机。中心将助力军事、国防以及民用创新事业的发展。

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    量子计算机 图册
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    • 更新时间:2017-10-12
    • 创建者:wangshujun
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