量子计算机的研发情况

1. 量子计算机的研发情况

通俗易懂的量子计算机发展史，何时才能做出真正的量子计算机？

2. 量子计算机的研究意义

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

3. 量子计算机的发展？

4. 量子计算机是由谁提出的？

量子计算机，最早是由理乍得·费曼提出的，一开始是从物理现象的模拟而来的。可是，他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而使资料量也变得庞大。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。理乍得·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，比现行计算机要快得多。正是它的这一特点吸引了大批科学家参与开发研究。量子计算机的概念也由此而诞生以及被人注意。
早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

5. 量子计算机技术概念

计算机技术发展的一个新方向—量子计算机 
计算机技术把我们带入了一个崭新的“信息时代”，给我们的工作和生活带来了巨大变化。发明计算机的先辈们没有料到计算机能成为人们生活中不可或缺的工具；他们也难以想象计算机诞生以来发生的惊人变化。计算机芯片的集成度以大约每十八个月就提高一倍的速度指数增长（摩尔定律），计算机芯片的集成度在不久的将来就有望达到原子分子量级(~10-10 m)。但是量子力学告诉我们，在这样的微观领域内，量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。 

量子力学是本世纪自然科学的最重要的成就之一。量子力学的观念同我们日常生活的经验有很大的不同。根据量子力学的原理，一个量子微观体系的状态是由一个波函数描写，而不再是由粒子的位置和动量描述。这个波函数决定了粒子出现在空间某一点或者具有某一动量的几率。对一个体系进行某一力学量的测量时，不再象经典粒子那样具有确定的值，而只能取某些特定的值。在经典力学中，对体系的测量不会改变体系的状态，至少在理论上可以构造理想测量实验，使得体系的状态在测量前后不发生变化。而在量子力学中，测量一般要改变体系的波函数，即体系的状态。经典体系的状态随时间的变化遵从牛顿定律，而量子体系的状态随时间的变化遵从Schroedinger方程。根据量子力学中的海森堡测不准原理，当位置定的很准时，粒子的动量就不会定准。D x.D p@ h/2p ，h是PLANCK常数，其数值为6.6260755(40)�0�7 10-34 J.s。将海森堡测不准原理应用于计算机的芯片问题中，当密度很大时，D x很小时，D p就会很大，电子就不再被束缚，就会有量子干涉效应。这种量子干涉效应会完全破坏芯片的功能。 是不是说量子力学就一定是计算机技术的大敌呢？对于现有计算机技术，量子力学的限制确实是一个障碍。但是应用量子力学的原理直接进行计算，不但可以越过量子力学的障碍，而且可以开辟新的方向。 

量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机。1982年美国的R. Feynman提出了把量子力学和计算机结合起来的可能性。1985年英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。Shor证明了量子计算机会对现有的社会和国民经济以及国防产生潜在的威胁。目前大量的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子。分解一个大数的质因子是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而量子计算机概念的出世，严重动摇了RSA公共码的安全性。1994年，美国的P.W.Shor利用量子计算机理论证明，一个N位大数的质因子分解只需用N的多项式的时间而不是以前所认为的N的指数次的时间。利用量子计算机分解一个400位大数仅仅需要不到一年的时间！Shor的工作引起了科学家们巨大的热情和兴趣。1995年，美国Grover证明在搜索问题上量子计算机比经典计算机优越。从没有排序的含N个数据的数据库中搜索一个确定的数据，用经典计算机平均需用N/2次运算，利用量子平行计算方法，只需次运算。科学家还证明了BPP�0�1 BQP�0�1 ，即任何在经典计算机上多项式可解的问题在量子计算机上也必定只需多项式次操作就可以完成。也就是说量子计算机解决任何问题上都至少不比经典计算机差。 

什么使得量子计算机会有如此优越的性质呢？量子计算机和经典计算机有什么区别呢？量子计算机也由存储器和逻辑门网络组成。但是量子计算机的存储内容和逻辑门与经典计算机却有所不同。对经典图灵计算机来说，信息或者数据由二进制数据位存储，每一个二进制数据位由0或1表示。在量子力学中，我们可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位。与经典计算机相区别，我们称之为量子位(qubit)。在经典计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。与经典计算机数据位不同的是，量子位可以是0或者1，也可以同时是0和1。也就是说，在量子计算机中，数据位的存储内容可以是0和1的迭加态：。现代物理学发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制。如果体系的波函数不能写成构成该体系的粒子的的波函数的乘积，则该体系的状态就出处在一个纠缠态，即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。如果两个粒子处在纠缠态上，不管它们离开有多么遥远，对其中一个粒子进行测量（作用），必然会同时影响到另外一个粒子。正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应，使得量子计算机可以实现量子平行算法，从而在许多问题上可以比经典计算机大大减少操作次数。从另一个角度讲，在经典计算机里，一个二进制位(bit)只能存储一个数据，n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数，而在量子计算机里，一个量子位可以存储两个数据，n个量子位可以同时存储2n个数据，从而大大提高了存储能力。

6. 量子计算机的实际运用

D-Wave 量子计算机-首台商用量子计算机在2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”，它利用了量子退火效应来实现量子计算。该公司此后在2011年推出具有128个量子位的D-Wave One型量子计算机并在2013年宣称NASA与谷歌公司共同预定了一台具有512个量子位的D-Wave Two量子计算机。 NSA加密破解计划2014年1月3日，美国国家安全局（NSA）正在研发一款用于破解加密技术的量子计算机，希望破解几乎所有类型的加密技术。投入巨资 投入4.8亿进行“渗透硬目标” 首台编程通用量子计算机2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。不过根据初步的测试程序显示，该计算机还存在部分难题需要进一步解决和改善。科学家们认为，可编程量子计算机距离实际应用已为期不远。 单原子量子信息存储首次实现2013年5月，德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组，首次成功地实现了用单原子存储量子信息——将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180微秒后将其读出。最新突破有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机，并让其远距离联网构建“量子网络”。 首次实现线性方程组量子算法2013年6月8日，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组，在国际上首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。该研究成果发表在6月7日出版的《物理评论快报》上。 金刚石建成世界上首台量子计算机2015年12月，以杜教授为首的中国科技大学研究人员小组建立了一个新的系统，这个系统可以使用相应的方式退出体系结构。比起普通二进制计算机，这一系统使得能够进行更为大量的计算。通常，这种系统都需要带有气候检测的特别装备实验室，而这一新模型却能够在普通的房屋内也能够安全存放。其量子计算能够在普通室温的条件下工作，这是借助于金刚石中少量的氮来完成的。

7. 量子计算机的技术

8. 量子计算机的理论背景

有趣的量子理论量子论的一些基本论点显得并不“玄乎”，但它的推论显得很“玄”。我们假设一个“量子”距离也就是最小距离的两个端点A和B。按照量子论，物体从A不经过A和B中的任何一个点就能直接到达B。换句话说，物体在A点突然消失，与此同时在B点出现。除了神话，你无法在现实的宏观世界找到一个这样的例子。量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打了个七零八落。 薛定谔之猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是：这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。 瑞典皇家科学院2012年10月9日宣布，将2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。他说，这两位物理学家用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。