量子计算机的研究进展与发展趋向*

张玉强

（公安海警学院基础部，浙江 宁波　315801）

量子计算机的研究进展与发展趋向*

张玉强

（公安海警学院基础部，浙江 宁波315801）

介绍了量子计算机的发展及研究现状，简要分析了量子计算机的工作原理，并对其今后的研究重点及应用前景进行了展望。

量子计算机；量子相干；量子计算；量子信息

随着对量子理论及计算机科学的深入研究，量子计算机应运而生。量子计算机，顾名思义，就是用来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。特别是量子计算机所具有的一些性质与特点，突破了经典计算机的发展瓶颈。如复杂量子系统的模拟及大数的因子分解等问题，通过经典计算难以解决，而利用量子计算机就能对问题迎刃而解。量子计算机所体现出来的一系列优势并不断取得的一些令人瞩目的成就，使得近些年来对这一领域的研究倍受青睐。

量子计算机的起源可以追溯到对可逆机的研究，而研究可逆机的目的是为了克服计算机在工作过程当中的能耗问题，因为能耗所产生的热量是影响计算机运行速度的重要因素。早在20世纪60年代，R.Landauer就指出，对任何逻辑不可逆的操作，如信息的擦除等，都会造成使相关的能量源散失热量。在20世纪70年代，Bennett证明了在不影响其计算能力的前提下，对所有的经典不可逆的计算机都可以用一种对应的可逆计算机来代替［1］。由于计算机中的每一步操作可以换算为可逆操作，那么在量子力学中，就可以借助于幺正变换来表示。对于量子可逆计算机，其关键的问题是在进行具体的计算时，寻找到合适的哈密顿量。与经典的计算机相比较，量子计算机的特点之一就是有着超强的并行处理数据和分析能力，其利用其量子体系的特性对信息储存、处理和传输过程给予新的诠释。量子信息科学的核心目标是实现真正意义上的量子计算机和实现绝对安全的、可实用化的长程量子通信［2］，量子计算机的发展促进了量子信息时代的到来。随着科学技术日新月异的发展，量子理论与实验的研究不断取得进展，并不断实现互动式的发展，使得量子计算机在国防、信息、保密、经济等领域的新的应用越来越广泛，对量子计算机的研究将会愈加青睐。

1　量子计算机的发展

由摩尔定律可知，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18个月翻一番。随着微电子技术的迅速发展，电路的朝着高精度、高速度，高集成度的趋势发展，其物理尺寸已达到粒子波函数的相位相干长度，此时物质遵循量子力学规律，量子效应显著，这就必然用量子力学对它们的特征进行描述，从而产生了以量子力学为基础，利用量子特征效应，建立一个完全以量子比特为基础的计算机芯片，从而发展形成了一种新型计算机——量子计算机。量子计算机的概念，最早是由Feynman于1982年提出的，是从对物理现象的模拟而来［3］。不久之后，牛津大学的Deutsch提出了量子计算机的蓝图，并证明了对于任何物理过程原则上都能被量子计算机模拟，“量子逻辑门”这一概念也随之被提出，将量子力学应用于信息处理［4］。量子算法利用量子力学的并行性、相干叠加性、纠缠性等基本特性，这些纯物理性质大大提高了计算效率。Peter Shor于1994年提出量子质因子分解算法，由于其对于金融及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，对量子计算机的研究愈加受到科研者的重视，并逐步取得了一系列研究成果。欧美等国家在21世纪初都在量子加密、量子计算及量子信息等各个方面展开了一系列的研究；借助于量子计算，还使得计算数学有了更进一步的发展和改进，并取得了积极的成果。

2001年，IBM公司和斯坦福大学的研究组在具有15个量子位的核磁共振量子计算机上成功借助Shor算法对15进行因式分解［5］，这使得量子计算逐渐在实际问题中得到应用，掀起了对量子计算机研究的热潮。2012年，法国科学家Serge Haroche与美国科学家David Wineland因 “突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”获得当年诺贝尔物理奖，他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步。我国清华大学的课题组通过研究指出了借助于固态空间环境中实现了基于希尔伯特空间的量子运算［6］，这预示着量子计算朝着实际应用方面有着进一步的发展。量子隐形传态可以借助于量子态作为信息的载体，通过量子态传送，最近随着对钻石运动状态光控制研究的显著进步，在周围环境条件下从光束到宏观钻石振动态的量子隐形传态也得到研究，实验体现出平均隐形传态的保真度超出了2/3的经典极限，推进了量子隐形传态向着更大物体目标发展［7］。

量子信息是量子理论与信息科学相互交叉的一门新的学科，它突破了现有的信息技术的物理瓶颈。量子计算机作为人类由信息时代向量子时代跨越的重要标志，量子计算机利用了量子的相干性，使其具有超强的并行计算的能力。除此之外，其在信息保密、信息储存、超导量子计算、光学量子计算、模拟量子系统等方面也显示出了经典计算机无法比拟的优越性。

2　量子计算机的原理

计算机信息的基本单元是比特，一个比特是一个有两个状态的物理系统，如经典计算机中电流的“通”或“断”（对应的取值为0或1）两种状态作为1个比特；量子计算机所遵循的基本原理是量子力学原理，从量子论观点看，量子计算机是一个量子力学系统。正是因为量子态具有叠加性和相干性等性质，使得量子计算与经典计算有着很大的不同。经典计算机中0和1作为信息的基本单位，用0和1组成的字符来表示信息；量子计算机计算的基本单位是量子比特（qubit），即必须用两个量子态│0＞和│1＞代替经典比特状态0和1，量子比特是可以操控的二能级系统，或者称之为量子双态体系，即为Hilbert空间为两维的量子体系，而构成这二态量子体系的既可以是一个二能级的离子或原子，亦可是一自旋为1/2的粒子或者具有两个偏振方向的光子。

表1　量子比特和比特的对比

表1中α和β为相干叠加态中│0＞态和│1＞态的比例系数，在对量子比特进行操作中，两态的叠加振幅可以相互干涉，形成量子相干性。量子的叠加性和相干性是量子计算机最本质的特征，在满足条件a2+β2=1下，可以取无数组系数。因此，与经典比特相比较，量子比特可以代表更多更丰富的信息。量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态；在量子计算机中，量子比特序列是运算对象，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，还能处于纠缠态上。这些特殊的量子态，除了能够提供量子并行计算外，还能带来许多意想不到的性质，量子计算机中的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。

与经典的计算机相比，量子计算机的优越性之一体现在量子算法上。与门和非门作为经典计算机中两个基本的逻辑门，是不可逆的，而对于量子计算机，所有的操作必须是可逆的，故基本逻辑门也是可逆的，量子计算机不但能进行普通经典数字逻辑操作，也能进行奇异的逻辑操作。量子计算机利用了量子力学的一些基本特性，如相干性、叠加性、纠缠性等，这些纯物理性质为其计算能力的提高以及计算范围的拓展提供了有力的帮助，并形成了一种新的计算模式——量子算法；另外，量子计算机在模拟量子系统、提高检测精度、确保信息安全等许多方面也是经典计算机所达不到的。

3　研究重点与发展趋向

虽然目前对量子计算机的研究取得了可喜的成果，并在实际中得到应用，但在今后较长的时间内，量子计算机所面临的机遇与挑战并存，无论是量子计算机本身的设计还是其解决实际问题的过程中，都未达到完善的程度，到目前为止，还没有出现真正意义的量子计算机。由于量子的特殊性质，跟经典计算机相比较，量子计算机有着许多的优越性，随着科技的迅速发展特别是量子理论的不断完善及其研究的深入，相信量子计算机也会逐渐走进人们的生活。但是在量子计算机的发展过程中，其也尚未达到完善的程度，远未定型，也有一些困难等着去克服。结合现有的研究成果及未来的发展，有以下几个关键问题仍是将来所研究的重点与难点：

1）量子并行计算。经典计算机通过0和1的二进制系统上进行，量子计算机可以在量子比特上运算，也可以利用自旋构造量子计算机中的数据位，一个n量子比特（由n个原子构成）的存储器，可能存储的数达2n，在量子计算机中，由于量子并行处理，有些借助于经典计算机只存在指数算法的问题，借助于量子计算机却存在量子多项式的算法，所以量子计算机的信息储存量大，而且量子计算机可以同时进行多个读取和计算，具有读取速度高的优点，这在密码学中也有着重要的应用。Rivet，Shamir与Adleman提出的公钥系统的安全性就是建立在大数因子的基础上。

2）量子纠缠。量子纠缠于1935年由薛定谔首先引入量子力学的，并称其为“量子力学的精髓”［8］。一个孤立的微观体系A，其状态一定可以用一个纯态来完备的描述。但如果考虑它和外界环境B有相互影响，这些难以避免的直接（或间接）的相互作用将会导致A和B状态之间的量子纠缠［9］。对于量子纠缠的研究包括各类纠缠态的制备、提纯、调控、传送和存取的研究、还有对量子纠缠的物理本质的研究，以及量子纠缠对宏观物质物理性质的影响。另外，对具有长程、高品质、高强度等特点的纠缠光源的研究也是实现全球化量子通信的关键之一。

3）不可克隆性。由于量子计算机在在运行的过程中不能对量子态测量，因为测量会使量子态发生改变（可用来对“薛定谔猫佯谬”进行物理解释），即未知量子比特不可能精确复制，使得每个复制比特与初始量子比特相同，此性质有利的一方面是从根本上保证了无法窃听量子通讯信道，但不利的一方面是不能把经典计算机中完善的纠错方案应用到量子计算机来，在纠错方面出现一些问题。不克隆性的根本原因是态叠加原理，由于量子态运算的线性性质和概率守恒的要求所导致。

4）克服退相干。量子计算机的优越性源于量子的相干性，在实用过程当中，由于量子比特、量子储存器和量子门容易受到其它量子器件及环境的相互作用和影响而发生不希望的量子纠缠，量子的相干性易被破坏而形成消相干。消相干已成为量子计算、量子通讯及量子密码发展过程中的主要困难和障碍。根据理论描述的方法，消相干可分为相位消相干和振幅消相干两大类。如何有效的克服消相干，已成为影响量子计算是否能够顺利发展的重要因素。

随着对量子理论和计算机科学研究的不断深入，量子计算和量子信息等已逐步越来越多的应用于军事、经济、情报、通信等领域，并已经体现出非常广阔的科技和应用前景，并引导着技术由IT（信息技术）向着QIT（量子信息技术）转变。对量子计算机的研究已引起物理学家的极大兴趣和高度关注。量子计算机的制造从理论上已不存在根本性的障碍，量子计算机发展迅猛，其对经典计算有着极大的拓展与扩充作用，相信在不久的将来，量子计算机将会取代经典计算机，从而实现计算机发展史上的新跨越。

［1］ C.H.Bennett.Logical reversibility of computation［J］.IBM J. Res.Dev，1973，17（6）：525-532.

［2］ 郭光灿，周正威，郭国平，等.量子计算机发展现状与趋势［J］.学科发展，2010，25（5）：516-524.

［3］ Feynman R P.Simulating physics with computers［J］.Inter J Theor Phys，1982（21）：467-488.

［4］ Deutsch D.Quantum theory，the Charch-Turing principle and the universal quantum computer［J］.Proc R Soc Lond，1985，A400：96-117

［5］ Liven M K，Steffen V M，Breyta G.Experimental realization of Shor’s quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance［J］.Nature，2001（414）：883-887.

［6］ CZu，W B Wang，L He，et al.Experimental realization of uni versal geometric quantum gates with solid-state spins［J］.Na ture，2014，514（10）：7275.

［7］ Hou PY，Huang YY，Yuan XX，Chang XY，Zu C，He L，Duan LM. Quantum teleportation from light beams to vibrational states of amacroscopicdiamond［J］.Nat Commun.2016May31（7）：11736.

［8］E Schrdinger，Die Gegenwartige Situation in der Quanten-Mechanik［J］.Naturwissenschaften.1935，23：807-812.

［9］ 张永德，量子信息物理原理［M］.北京：科学出版社，2009：50.

O413.1

公安海警学院科研发展基金项目（2015YYXMB11）。