量子科技之計算机篇
(//www.tvsmo.com)
【大紀元7月27日訊】 今天，信息科學在推動社會文明進步和提高人類生活質量方面發揮著令人惊嘆的作用。隨著人類對信息需求的日益增加，人們也在不斷地推進信息技術的發展，但是現有信息系統的功能已接近于極限值。電子計算机在過去30年中，每個芯片上集成的晶體管數目隨時間呈指數增長，這個被稱為摩爾定律的經驗法則預示著，10多年以后計算机存儲單元將是單個原子，電子在電路中的行為將不再服從經典力學規律，取而代之的是量子力學規律。于是就提出了量子效應究竟會對計算机運算速度產生什么樣影響的問題。因此，信息科學的進一步發展必須借助于新的原理和新的方法。
由于量子特性在信息領域中有著獨特的功能，在提高運算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現有的經典信息系統的極限，因而量子力學便首先在信息科學中得到應用，一門新的學科分支———量子信息學也應運而生。該學科是量子力學与信息科學相結合的產物，是以量子力學的態疊加原理為基礎，研究信息處理的一門新興前沿科學。量子信息學包括量子密碼術、量子通信、量子計算机等几個方面，近年來在理論和實驗上都取得了重大的突破。
量子計算机
量子計算机是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算机。量子計算机的概念源于對可逆計算机的研究。研究可逆計算机的目的是為了解決計算机中的能耗問題。
20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算机中的芯片發熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計算机的運行速度。研究發現，能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典計算机都可以找到一种對應的可逆計算机，而且不影響運算能力。既然計算机中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個正變換來表示。早期量子計算机，實際上是用量子力學語言描述的經典計算机，并沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相干性。在經典計算机中，基本信息單位為比特，運算對象是各种比特序列。与此類似，在量子計算机中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各种正交態的疊加態上，而且還可以處于糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。与經典計算机不同，量子計算机可以做任意的正變換，在得到輸出態后，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算机對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這种計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算机的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算机無法胜任的。
無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統中量子相干性很難保持。在量子計算机中，量子比特不是一個孤立的系統，它會与外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其优點為适用范圍廣，缺點是效率不高。
迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算机。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱确實太困難了。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛离子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難說哪一种方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更适合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一种全新的設計，而這种新設計又是以某种新材料為基礎，就像半導體材料對于電子計算机一樣。研究量子計算机的目的不是要用它來取代現有的計算机。量子計算机使計算的概念煥然一新，這是量子計算机与其他計算机如光計算机和生物計算机等的不同之處。量子計算机的作用遠不止是解決一些經典計算机無法解決的問題。
（日報）(//www.dajiyuan.com)
相關文章