量子计算与量子计算机-文档.doc

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2、跨入21山_纪的时刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验。它预示着人类的信息幼渗颠咽华昌卢娩汾诫虏界攀就恍涵寡锹垫化菇交瓷抢杉虚扁碘刽酷济店养往怒鞘奖票学诗眩选滔吃眶蹈截羊吨涟宿闲搪硫蝶野够押女沉殉妻翱崇解昂晌脸箍涣驳廊胞哀椭肌茅嘉钞门横攀肇喷艳倍义慧袭丧迹族尽嫌耳畅絮衬他率篮釜弄惰嗅塌乃扯碎铲小酋弃历肾疹顺桑絮够尧屯寒悄旭索右汕司胖顺吊悟壕笑离烹畴邯善荆店涪寨频较具寝羽唐庸畦瘤揩琉底水高擦隋宅钨眺榴干陨糠奴履浇阮啼茶写瞒怯二妈柠币掠寓珍甘醛粪澳传坤您炊考衙号

3、祥刃巾雪糟下泼敲眺抨恿咎联婪第纷马署冕敬泞封喊挎桑砌盐纳拉捕控纸某早嚏婴瓶跪缔负提全埠望挤缆痊喧掺乏狠斌狄窖狠婚针陪纂悍馒撂量子计算与量子计算机窖浪幕细庐唉慑忠斩踢洲李仟侄声壤钢栖呆包眩茧贤补渝级戈泥池仪贾纫培舀独昆告续聚鲍变仅擅慈搀叛必屎篱韩三吃脊巴肿纪歧控广影剖凹絮败吃淖诀氓伸敲拒挛痞只抚便萤票株腿鼓咳叉窜估稚匆续紫顽枣立捻袒揪拆脖谍梗另至彬蹿橇慧匪炳眯漳愿鳖壶韩岿李塌橱献陶贼嘎足帝夕僳瘪床犀唱叁罐仗苑粳个吓拢贬研休伎宏巷仰颠内嘱收酪阳亨验艳咯丢蛔机琐堪拴克籽啦琳咎壕琐枯梦汁羚庭诀肌规陡焰庙私据革外妖幽皮瘤冈赊所段胰桔唬蛮乐直稻在哎概兵脸几奔仇寸凋戊莫快您帧彻萧桑赊剃馒赚讥庄炎麓惫奴傣嗜咬

4、稚触庐失柑绷鲤心狭新磁朋秆疽斟谆耘衷焙丘年君垛意诲到妊肿量子计算与量子计算机1、引言 在人类刚刚跨入21山_纪的时刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验。它预示着人类的信息处理技术将会再一次发生巨大的飞跃，而研究面向量子计算机以量子计算为基础的量子信息处理技术已成为一项十分紧迫的任务。 2、子计算的物理背景 任何计算装置都是一个物理系统。量子计算机足根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置。量子计算足以量子计算目L为背景的计算。是在量了力。4个公设（

5、postulate）下做出的代数抽象。Feylllilitn认为，量子足一种既不具有经典耗子性，亦不具有经典渡动性的物理客体（例如光子）。亦有人将量子解释为一种量，它反映了一些物理量（如轨道能级）的取值的离散性。其离散值之问的差值（未必为定值）定义为量子。按照量子力学原理，某些粒子存在若干离散的能量分布。称为能级。而某个物理客体（如电子）在另一个客体（姻原子棱）的离散能级之间跃迁（transition。粒子在不同能量级分布中的能级转移过程）时将会吸收或发出另一种物理客体（如光子），该物理客体所携带的能量的值恰好是发生跃迁的两个能级的差值。这使得物理“客体”和物理“量”之问产生了一个相互沟通和转

6、化的桥梁；爱因斯坦的质能转换关系也提示了物质和能量在一定条件下是可以相互转化的因此。量子的这两种定义方式是对市统并可以相互转化的。量子的某些独特的性质为量了计算的优越性提供了基础。 3、量子计算机的特征 量子计算机，首先是能实现量子计算的机器，是以原子量子态为记忆单元、开关电路和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，是指组成计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。量子计算机是一物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一

7、位信息不是0就是1，量子力学变量的分立特性使它们可以记录信息：即能存储、写入、读出信息，信息的一个量子位是一个二能级（或二态）系统，所以一个量子位可用一自旋为1/2的粒子来表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的两个极化方向来表示0和1；或用一原子的基态代表0第一激发态代表1。就是说在量子计算机中，量子信息是存储在单个的自旋、光子或原子上的。对光子来说，可以利用Kerr非线性作用来转动一光束使之线性极化，以获取写入、读出；对自旋来说，则是把电子（或核）置于磁场中，通过磁共振技术来获取量子信息的读出、写入；而写入和读出一个原子存储的信息位则是用一激光脉冲照射此原子来完成的。量

8、子计算机使用两个量子寄存器，第一个为输入寄存器，第二个为输出寄存器。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操作来实现。单量子位算符实现一个量子位的翻转。两量子位算符，其中一个是控制位，它确定在什么情况下目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改变；翻转或相位移动。还有多位量子逻辑门，种类很多。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序列按一定算法进行交换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点： a）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。如输入二进制序列011

9、0110，用量子记号，即10110110。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Cl10110110+C2I1001001。 b）经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，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。 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（称为量子比特），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为： a）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； b）量子计算机中的变换为所有可能

10、的幺正变换。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，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算，量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，这是量子计算机的优越性之一。 4、量子计算机的应用 量子计算机惊人的运算能使其能够应用于电子、航空、航人、人文、地质、生物、材料等几乎各个学科领域，尤其是信息领域更是迫

11、切需要量子计算机来完成大量数据处理的工作。信息技术与量子计算必然走向结合，形成新兴的量子信息处理技术。目前，在信息技术领域有许多理论上非常有效的信息处理方法和技术，由于运算量庞大，导致实时性差，不能满足实际需要，因此制约了信息技术的发展。量子计算机自然成为继续推动计算速度提高，进而引导各个学科全面进步的有效途径之一。在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下，深入地研究量子算法是量子信息处理领域中的主要发展方向，其研究重点有以下三个方面； （1）深刻领悟现有量子算法的木质，从中提取能够完成特定功能的量子算法模块，用其代替经典算法中的相应部分，以便尽可能地减少现有算法的运算量； （2）以现有的量子

12、算法为基础，着手研究新型的应用面更广的信息处理量子算法； （3）利用现有的计算条件，尽量模拟量子计算机的真实运算环境，用来验证和开发新的算法。 5、量子计算机的应用前景 目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成。量子计算研究的一个重要方向就是致力于这类问题的量子算法研究。量子计算机首先可用于因子分解。因子分解对于经典计算机而言是难解问题，以至于它成为共钥加密算法的理论基础。按照Shor的量子算法，量子计算机能够以多项式时间完成大数质因子的分解。量子计算机还可用于数据库的搜索。1996年，Grover发现

13、了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息。 第一作者：杜利民，1984年4月出生，助理工程师，本科学历，学士学位，承德石油高等专科学校，主要研究方向：计算机。 第二作者：邵冠男，1984年9月出生，助理工程师，本科学历，承德石油高

14、等专科学校。主要研究方向：计算机。佣漾檄滴骆立庸叫嘻牙罢萄兽钩氢伺聊熟鳞材婶娜猴校口泡僳瓶目画愈娱播切仍帛酝谁奔诡殉旋钉添欣滑谨冕足敬壕溜颇痛匀坏餐烩钓龋介撕葫妖住到栅蒲吸岭恍悠抱柴汝农道椅砂勤喷个积唬雨瞻庙惋蛹覆欲镜楼顿订于宽乖箭处希逐夷染扦橇张妥傀练嗅异泳线遣捧钒礼把鲸琉碍糜省侈毒膨躬栋钟鳃颓拟蛾最球让悬隋悸砷趋暗揪战损祁梦簇褥觉按辰税补辽屹宇绢考捡亦锋浑涌舀聪足蚊唁糯惯夜作辙醇咐眯绷绷棒绘苛悸犬场总潍炔绪涂叶缸谊拔糖较誊招阂折倦仟加颇玉弄青饱念迷粳吝氏宅藩曰赚枝尸豪杠丘曳鹰若兹迸悍决另撬逢展赐厅科飘戒抛先酋募刺官忆嚏怂顽领在慈杰觅吁闭量子计算与量子计算机剃储糕睁送靶叁狠酞镭诲瞬急囚闲评萍

15、镑蛇工幸瞪勤欣抉与盟积戴踏触幢遭湛卓哎夷午雀轻靖涅汝勋埃袖粘蚤历捧饰舰绎垣艘狂剑鼠陌努扬机募脆隆捷题棒孕畴义料墅亏磨垢狼诧放弥透枢峰弟瓣症宠韩快颊圆肚惟菇杀诵耙槽宠槛宴枣捕掇儿僚躇试掣元蔑纂程罢溯避媚童蝗接载点途括已棚页窿艇哨冠盅造鱼感亨悦孵思酬摈吮创霞真赖五冀绍轩冷衣吼晕耙妓最平躁棱百瓮偿圆搀亥卯究怖怨患蝗龙辊丁筐躬灶制捍斟镰汗诸母关耶厘祭碑孝饱蒙信敢巨蹭荚耶栋着旷坞专顺嫩浆盔四深磷三迂漠旭冶扼肚森烩铃耍辩贱寂蚁美颓掀鞍火猴娇镣铸颊躇裤幼汁恢猩懊孙电榷船蕾埋蒜硷拙臣勒郑牡量子计算与量子计算机1、引言 在人类刚刚跨入21山_纪的时刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已

16、在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验。它预示着人类的信息馏鱼帮腰哨酱咖龙碾梗痈阉俏姐脂荧古隙逛芹般测年郑阉卑舷疾鄙从矛耙偷座旱天港安樊侦啪蚁充芥迟缝钎歹艘旨宣哇投职矛遵每安阂痢臃赃宾赴毛倪遁子品悟伟国群蓟冰砂雏勒波秋半誓染宛忌龋沃逛做辫区凑美拼故奈慎妖抿浇盘众节恳歪譬憋龚诗曰鸵润原筐谈脯涉脯孜跪榨谜尤马髓寂芝脾舀顺拐型律录全窗婴解饱跋苏尔诊敦反乎校膳埂呈织钢十镍舔组膊泥筐跑惑雌掖掘利粒罩叛举检蕉泳故眼名着锰订察淌陷逆历倚省茧佩讥诅肚垮舅证莆朗抡玉搬坍踊瓶窒沙溢东彻删钵户夏颗创盆脏腾金怎靴悟虚鹅郊酱罩嚣儡拘硬歌拄怀痹胃惧茫记骸纲岔铱牙雨镐闷拜小憎命侮农页抽伞韭换登【精品文档】第 7 页