量子計(jì)算

基本原理

　　量子的重疊與牽連原理產(chǎn)生了巨大的計(jì)算能力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四個(gè)數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)量子比特可表示兩個(gè)值。如果有更多量子比特的話，計(jì)算能力就呈指數(shù)級(jí)提高。

量子位

　　量子位（qubit）是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個(gè)位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài)。 在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（super posed state） 。 疊加態(tài)是“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態(tài)又可以是“ 1” 態(tài)，“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。 通過測(cè)量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“ 0” 態(tài)或 “ 1” 態(tài)。任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實(shí)現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第 1 激發(fā)態(tài)（first excited state）、 質(zhì)子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。

　　一個(gè)量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。態(tài)空間由多個(gè)本征態(tài)（eigenstate） （即基本的量子態(tài)）構(gòu)成，基本量子態(tài)簡稱基本態(tài)（basic state）或基矢（basic vector） 。 態(tài)空間可用Hilbert 空間（線性復(fù)向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài)。為了便于表示和運(yùn)算，Dirac提出用符號(hào) x〉 來表示量子態(tài)，x〉 是一個(gè)列向量，稱為ket ；它的共軛轉(zhuǎn)置（conjugate t ranspose） 用〈 x 表示，〈 x 是一個(gè)行向量，稱為bra.一個(gè)量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert 空間（即二維復(fù)向量空間）的單位向量 〉 來描述，其簡化的示意圖如下圖所示.

一個(gè)量子位的疊加態(tài)的示意圖：Bloch sphere

重疊原理

　　在某點(diǎn)上相互作用的微粒（像光子、電子）之間具有一種關(guān)系，能夠成對(duì)的糾纏在一起，這一過程被稱為相關(guān)性。知道了糾纏在一起的一個(gè)微粒的狀態(tài)是上或下的話，它同伴的旋轉(zhuǎn)是在其相反的方向上。令人驚奇的是，由于重疊現(xiàn)象，被測(cè)定的微粒沒有單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)方向，而是同時(shí)成對(duì)的處于上旋和下旋狀態(tài)。被測(cè)微粒的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)由測(cè)量時(shí)間和與其相關(guān)的微粒決定，其相關(guān)微粒同時(shí)處于相反的旋轉(zhuǎn)方向。這一真實(shí)的現(xiàn)象（愛因斯坦認(rèn)為兩個(gè)粒子自從分開的那一瞬間就決定了各自的自旋方向，他試圖通過EPR佯謬來質(zhì)疑量子論，但驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)證明愛因斯坦錯(cuò)了），至今沒有任何恰當(dāng)?shù)睦碚摽梢越忉?，只是簡單的被接受著。量子牽連就是無論來自同一系統(tǒng)的粒子之間有多遠(yuǎn)的距離都能同時(shí)相互作用（不受光速限制）。無論相互作用的微粒之間相距多遠(yuǎn)，他們都將相互纏在一起直到被分開。2014年初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）Kavli Institute of Nanoscience量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了這種信息的“0延遲”傳遞，信息傳遞距離為3米。

牽連原理

　　在某點(diǎn)上相互作用的微粒（像光子、電子）之間具有一種關(guān)系，能夠成對(duì)的糾纏在一起，這一過程被稱為相關(guān)性。知道了糾纏在一起的一個(gè)微粒的狀態(tài)是上或下的話，它同伴的旋轉(zhuǎn)是在其相反的方向上。令人驚奇的是，由于重疊現(xiàn)象，被測(cè)定的微粒沒有單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)方向，而是同時(shí)成對(duì)的處于上旋和下旋狀態(tài)。被測(cè)微粒的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)由測(cè)量時(shí)間和與其相關(guān)的微粒決定，其相關(guān)微粒同時(shí)處于相反的旋轉(zhuǎn)方向。這一真實(shí)的現(xiàn)象（愛因斯坦認(rèn)為兩個(gè)粒子自從分開的那一瞬間就決定了各自的自旋方向，他試圖通過EPR佯謬來質(zhì)疑量子論，但驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)證明愛因斯坦錯(cuò)了），至今沒有任何恰當(dāng)?shù)睦碚摽梢越忉?，只是簡單的被接受著。量子牽連就是無論來自同一系統(tǒng)的粒子之間有多遠(yuǎn)的距離都能同時(shí)相互作用（不受光速限制）。無論相互作用的微粒之間相距多遠(yuǎn)，他們都將相互纏在一起直到被分開。2014年初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）Kavli Institute of Nanoscience量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了這種信息的“0延遲”傳遞，信息傳遞距離為3米。

發(fā)展

概念的提出

　　量子計(jì)算 (quantum computation) 的概念最早由IBM的科學(xué)家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他們主要探討的是計(jì)算過程中諸如自由能（free energy）、信息（informations）與可逆性（reversibility）之間的關(guān)系。80年代初期，阿崗國家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff首先提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算；稍后費(fèi)因曼也對(duì)這個(gè)問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場(chǎng)演講，勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的愿景。1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計(jì)算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。

中期發(fā)展

　　1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段：有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法（quantum algorithm）確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、空腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。以目前的技術(shù)來看，這其中以離子阱與核磁共振最具可行性。事實(shí)上，核磁共振已經(jīng)在這場(chǎng)競賽中先馳得點(diǎn)：以I. Chuang為首的IBM研究團(tuán)隊(duì)在2002年的春天，成功地在一個(gè)人工合成的分子中（內(nèi)含7個(gè)量子位）利用NMR完成N =15的因子分解（factorization)。

發(fā)展前景

　　量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在的一個(gè)問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。

世界上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)

　　加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號(hào)就是——“Yes,you can have one.”。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。

　　時(shí)隔四年之后，D-Wave One終于脫胎換骨、正式登場(chǎng)。它采用了128-qubit（量子比特）的處理器，四倍于之前的原型機(jī)，理論運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。另外，D-wave公司將會(huì)在2013年1月將其升級(jí)至512量子比特。不過呢，也別太興奮，這個(gè)大家伙現(xiàn)在還只能處理經(jīng)過優(yōu)化的特定任務(wù)，通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。 另外，為盡可能降低qubit的能級(jí)，需要利用低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的鈮產(chǎn)生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對(duì)零度附近（20 mK）。
 

　　最后就是價(jià)格，2011年，NASA和Google分別以約一千萬美元購置了一臺(tái)512位qubit的D-Wave量子計(jì)算機(jī) 。這絕對(duì)是天價(jià)中的天價(jià)了，不過也是新技術(shù)開端的必然，就像當(dāng)初的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC造價(jià)就有40萬美元（二十世紀(jì)四十年代的40萬美元）。

中科大首次研制出非局域量子模擬器

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究組首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了宇稱—時(shí)間（Parity-time， PT）世界中的超光速現(xiàn)象。

　　這一實(shí)驗(yàn)充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

　　量子模擬器是解決特定問題的專用量子計(jì)算機(jī)，這一概念最早由費(fèi)曼于1981年提出。費(fèi)曼認(rèn)為自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的，只有用遵循量子力學(xué)的裝置，才能更好地模擬它，這個(gè)力學(xué)裝置就是量子模擬器。目前量子模擬器研究中，人們更多關(guān)注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個(gè)量子模擬器所操控的量子比特?cái)?shù)越多，它的運(yùn)算能力就越強(qiáng)