浅谈量子计算机的物理学原理及历史

浅谈量子计算机的物理学原理及历史

王炜媛

关键词：量子计算机量子力学量子计算

引言：在21世纪，电子计算机凭借其优秀计算性能得到广泛运用，依赖于摩尔定律，电子计算机的体积越做越小，性能也越来越强，但是随着信息科技的进一步发展，摩尔定律的技术基础逐渐受到了物理限制。随着电子计算机的集成度进一步提高，元件的尺寸也进一步缩小，当晶体管元件的大小逐渐接近纳米级时，电子运动不再遵循经典的物理学规律，摩尔定律不再适用，经典电子计算机的性能提升也就遇到了瓶颈。另一方面，传统计算机的信息安全也面临严峻挑战，窃听、黑客攻击、密码破译等事件时有发生，而量子计算机的出现正好解决了上述问题。量子计算机是基于量子力学理论所设计的新型计算机，拥有极高的运算速度，在各种大数据处理方面有着极大的优势，同时，拥有极高的安全性，成为当前的一个研究热点。

一．量子计算机工作原理量子计算机是一种基于量子力学原理——态叠加原理、量子之间的纠缠性和相干性来设计的新型计算机，与经典计算机相比，拥有超高的计算速度，结合独特的量子算法，能解决目前的许多经典计算机无法解决的问题，因此受到广泛的关注。在量子纠缠的预设前提下，对量子位操作一次，相当于对经典位操作两次。在量子计算机中，每个量子比特都是两个逻辑态的叠加表示，根据量子力学知识，我们只能获得量子比特越来越多的信息，但无法完全确定其状态，及量子计算机所有可能得幺正变换。在经典计算机里面，一个二进制位只能存储一个二进制数，而量子计算机里面，一个量子位能存储两个数据，大大提高了存储能力。同时，由于量子叠加性(superposition)和相干性(coherence)，量子计算机对每一个叠加分量实现的变换可以等价于传统计算机上进行的晶体管的经典计算。但区别与传统计算机（classiccomputer）的是，所有这些经典计算同时完成，并按照概率守恒的原则(conservationofprobability)将概率的振幅叠加(superposition)，将最终叠加结果最终输出称为量子并行计算(quantumparallelcomputing)。量子并行计算使得单个量子CPU(centralprocessingunit)的计算速度相比经典计算机得到了极大的提高，这也是量子计算机最大的优势。

二．量子计算机诞生历史量子计算机最突出的就是能执行传统计算机难以进行的大规模和复杂计算，如大数的质因数分解。因此设计量子计算的主要目的就是用于量子计算。量子计算机相较于经典计算机的利用一个晶体管实现两位的0和1计算，即一个比特取值为0或1，而在量子计算机中，每个量子比特是0和1相应量子态的叠加(superposition)，即可以是0或者1，也可以同时是0和1。对量子位进行一次操作相当于对经典位进行了两次操作。同时量子并行性使得量子计算机能同时对大量数据进行操作，而不用像经典计算机一样进行重复操作，极大的提高了运算速度。由于量子计算机强大的运算速度，可运用与解决大规模的计算难题，如密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等。

三．量子计算机实际应用

1.量子计算(quantumcomputing)量子计算机主要目的就是用于量子计算即量子算法的运行。当前量子计算的其中一个研究热点是量子计算机，在经典计算机中，一个比特取值为0或1，而在量子计算机中，每个量子比特是0和1相应量子态的叠加，即可以是0或者1，也可以同时是0和1。对量子位进行一次操作相当于对经典位进行了两次操作。同时量子并行性使得量子计算机能同时对大量数据进行操作，而不用像经典计算机一样进行重复操作，极大的提高了运算速度。由于量子计算机强大的运算速度，可运用与解决大规模的计算难题，如密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等。量子计算的另一研究热点在量子算法，在以往的研究中，许多的量子算法被提出，如Shor大树分解算法、Harrow-HassidimLloyd解线性方程组算法、Grover搜索算法、量子退火算法和玻色取样等。这类量子算法的提出，也表明经典计算机(classiccomputer)能够实现的功能在量子计算机上也能实现。随着量子计算机和量子算法的不断发展，距离量子计算的实用化也越来越近。

2.量子模拟受限于经典存储空间和运算速度，经典的电子计算机无法对复杂的量子体系行为进行有效的模拟，因此需要一个可控的人造量子系统来对现实的复杂量子体系的状态及其演化规律进行模拟。量子计算机相比经典计算机，有着更快的运算速度和存储空间，是用于实现量子模拟的理想工具。量子模拟可用于新能源和新材料领域，揭示新能源、新材料机制，如高温超导、量子霍尔效应、人工固氮、惯性约束核聚变等，对于能源科学和材料科学的发展具有重要意义。

四．总结与展望量子计算机具有广泛的应用前景，对于解决大规模计算问题、揭示新材料和新能源的内部机理具有重要意义。但是，当前的量子计算机还存在一定的问题，首先是不稳定，量子计算的神速滥觞于量子比特的叠加状态和量子纠缠，同时量子叠加(superpostion)和纠缠(entanglement)状态是极度脆弱的，必须保持在一个delicatebalance中。其次是必须低温(lowtemperature)运行，量子计算机是利用量子的纠缠态来进行量子计算，而量子纠缠态非常容易消失，消失的过程称为退相干。退相干和环境因素的影响非常大，包括温度场、电磁场等等，所以极低温是一个必备条件，只有在极低温度下，才能保证量子计算的准确性。因此，实现普适的量子计算机仍然是一个长期的目标。

[1]安逸群.量子计算中存在的问题和创新[J].江西建材,2016(01):64-66.

[2]许权.量子计算技术的创新及发展探讨[J].江西建材,2014(21):62.

[3]李艳芳.量子计算机技术创新研究[J].城市建设理论研究2017(21):142-143