计算机技术发展的一个新方向—量子计算机
计算机技术将我们带入了一个全新的“信息时代”，给我们的工作和生活带来了巨大的变化。发明电脑的祖先并不希望电脑成为人们生活中不可或缺的工具。他们很难想象自从计算机诞生以来发生了什么惊人的变化。计算机芯片的集成度正以每18个月翻一番的速度呈指数级增长(摩尔定律)。计算机芯片的集成有望在不久的将来达到原子分子量水平(约10-10米)。然而，量子力学告诉我们，在这样一个微观领域，量子效应会影响甚至完全破坏芯片的功能。量子力学是本世纪自然科学最重要的成就之一。量子力学的概念与我们的日常经验非常不同。根据量子力学的原理，量子微观系统的状态是由波函数来描述的，而不是由粒子的位置和动量来描述的。这个波函数决定了一个粒子出现在空间某一点或具有某一动量的概率。当一个系统被测量一定的机械量时，它不再像经典粒子那样有一个确定的值，而只能取一定的特定值。在经典力学中，系统的测量不会改变系统的状态，至少在理论上，可以构造一个理想的测量实验，使系统的状态在测量前后都不会改变。在量子力学中，系统的波函数，即系统的状态，在测量中通常是变化的。经典系统的状态随时间的变化遵循牛顿定律，而量子系统的状态随时间的变化遵循薛定谔方程。根据量子力学中的海森堡测不准原理，当粒子的位置非常精确时，它的动量就不精确。D x.D p@ h/2p，h为普朗克常数，其值为6.6260755 (40) 10-34j.s。当海森堡测不准原理应用于计算机的芯片问题时，当密度很高时，D x很小，D p会很大，电子将不再受束缚，并且会有量子干涉效应。这种量子干涉效应将彻底破坏芯片的功能。这是否意味着量子力学一定是计算机技术的敌人？对于现有的计算机技术来说，量子力学的局限性确实是一个障碍。然而，将量子力学的原理应用于直接计算，不仅可以克服量子力学的障碍，还可以开辟新的方向。量子计算机是一种基于量子力学原理直接计算的计算机。1982年，美国的费曼提出了将量子力学与计算机相结合的可能性。1985年，牛津大学的多伊奇进一步阐述了量子计算机的概念，并证明量子计算机比经典的图灵计算机具有更强大的功能。肖尔证明了量子计算机将对现有的社会、国家经济和国防构成潜在的威胁。目前，大量的网络安全技术使用“RSA公开密码”。为了破译这个密码，我们必须将质因数分解成大量的数字。分解大量的定性因素是极其困难的。根据现有的理论计算，用目前最先进的超级计算机分解一个400位数的定性因子需要10亿年，而人类的历史只有几百万年。然而，量子计算机概念的诞生严重动摇了RSA公开密码的安全性。1994年，美国物理学家肖尔用量子计算机理论证明了大量n位的定性因子分解只需要n个多项式的时间，而不是以前认为的n个指数的时间。用量子计算机分解大量的400位只需要不到一年的时间！肖尔的工作激起了科学家们极大的热情和兴趣。1995年，美国的格罗弗证明了量子计算机在搜索问题上优于经典计算机。从包含N个数据的数据库中搜索某个数据而不进行排序，需要用经典计算机平均进行N/2次运算，而用量子并行计算方法仅进行一次运算。科学家们还证明了BPPYBQPY，也就是说，任何能在经典计算机上用多项式解决的问题都必须在量子计算机上用多项式运算来解决。换句话说，量子计算机在解决任何问题上至少和经典计算机一样好。是什么使量子计算机具有如此优越的性能？量子计算机和经典计算机有什么区别？量子计算机也由存储器和逻辑门网络组成。然而，量子计算机的存储内容和逻辑门与经典计算机不同。对于典型的图灵计算机，信息或数据由二进制数据位存储，每个二进制数据位由0或1表示。在量子力学中，我们可以用自旋或二能级态来构造量子计算机中的数据位。与经典计算机不同，我们称之为量子位。在经典计算机中，每个数据位要么是0，要么是1，必须是0或1。与传统的计算机数据位不同，量子位可以是0或1，或者两者都是。换句话说，在量子计算机中，数据位的存储内容可以是0和1的叠加。现代物理学的发展表明，量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设的限制。如果系统的波函数不能写成组成系统的粒子的波函数的乘积，那么系统的状态来自一个纠缠态，也就是说，系统粒子的状态是纠缠在一起的。如果两个粒子处于纠缠状态，不管它们有多远，测量一个粒子将不可避免地同时影响另一个粒子。正是因为量子纠缠态之间的神奇关联效应，量子计算机才能够实现量子并行算法，从而比经典计算机大大减少了许多问题上的运算量。从另一个角度看，在经典计算机中，一个二进制位只能存储一个数据，n个二进制位只能存储n个一位二进制数或1个n位二进制数，而在量子计算机中，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容量。经典计算机中的基本逻辑门是与门和非门。对于量子计算机来说，从量子力学可以知道，所有的操作都必须是可逆的，所以基本的逻辑门也必须是可逆的。然而，“与”门是不可逆的输出，并不一一对应于输入。如果输出为0，我们无法确定输入是(0，0)、(0，1)还是(1，0)。类似地，或门、异或门、与非门和或非门都是不可逆的。因此，在量子计算机中，与门、或门、异或门、与非门和或非门不能使用。我们检查以下真值表:
1
1
1
1
1
1
1
1
我们称之为控制门。第一位称为控制位，第二位称为目标位。显然，加法运算可以通过控制非门来实现，非门有时被称为量子异或门。通过控制非门和一位旋转操作，可以形成所有可逆操作来实现各种操作。有了储存信息的量子逻辑门和量子位，量子计算机就可以制造出来了。然而，量子计算机的实现仍然存在许多技术问题。量子计算机的优势主要体现在量子叠加态的关联效应上。然而，根据量子力学，环境对叠加态的影响以及叠加态之间的相互作用将削弱甚至失去这种关联效应。这就是所谓的量子力学的退相干效应。为了防止或避免退相干效应，我们应该最小化环境对量子态的影响。同时，如果由于相干效应引入了错误信息，我们必须及时纠正，这一点尤其重要，因为我们不能绝对地将量子态与环境隔离开来，而其他因素，如逻辑门，也会引入错误信息。数据信息的纠错也存在于经典计算机中，但是由于量子计算机的特殊性:(1)根据量子力学的基本假设，我们不能在量子计算机的计算过程中测量量子态，因为这种测量会改变量子态，并且这种改变是不可逆的。(2)量子态不能简单地复制或“克隆”。我们不能直接将经典计算机中发展良好的纠错方法移植到量子计算机中。肖尔克服了这个在1996年一度被认为无法解决的难题，在原则上扫除了量子计算机发展道路上的巨大障碍，因此量子计算机的发展进入了实验阶段。1998年，美国和英国的牛津大学团队已经在他们的实验室里生产了最简单的量子计算机。这种计算机不同于以前的计算机。与我们桌子上的“巨大”机器相比，它更像机器旁边的咖啡杯。我们仍然无法确定未来的量子计算机会是什么样子。目前，科学家已经提出了几个方案。第一个方案，前面提到的“咖啡杯”量子计算机，是核磁共振计算机。我们可以用自旋向上或向下来表示量子位的0和1态，那么我们如何实现自旋态和非操作态的控制呢？在许多有机分子中，当一个原子的自旋处于不同的状态时，另一个原子的自旋所需的能量或共振频率也是不同的。如果我们把一个原子的自旋态作为控制位，把另一个原子的自旋作为目标位，并控制不同的共振频率，就可以实现对非操作的控制。它更像咖啡杯的原因是这些有机分子(如氯仿)溶解在另一种有机溶液中。这些有机溶液与氯仿几乎没有相互作用，因此确保了量子态与环境的更好隔离。第二种方案是离子阱计算机。在这种计算机中，一系列自旋为1/2的冷离子被限制在线性量子阱中，形成一个相对稳定的绝热系统。与核磁共振计算机不同，这种量子计算机使用激光来控制自旋反转的非操作。在该系统中，退相干效应在整个计算过程中几乎可以忽略，并且很容易实现任意离子之间的N比特量子门。另一个解决方案是硅基半导体量子计算机。在高纯硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位，绝缘物质实现量子态的隔离。硅基半导体量子计算机，像经典计算机一样，是基于半导体技术的发展，所以它们有很大的吸引力。此外，还有线性光学方案、腔量子动力学方案等。量子计算机的运行过程也必须受时序控制，目前量子逻辑门的运行速度比经典计算机逻辑门慢得多。为了获得最快的计算速度，未来的计算机可能结合两种计算机:经典计算机控制时钟序列和量子计算机控制计算部分。无论采用哪种方案，也无论量子计算机将来会是什么样子，量子计算机的发展都需要结合当今最先进的微物理技术，如激光、生物物理学、单原子探测与控制、半导体技术和计算机技术。因此，量子计算机的研究和发展必将推动现代物理学和计算机技术的发展。同时，由于量子计算机强大的模拟功能和计算能力，量子计算机的出现必将使我们对量子力学理论和微观世界的本质有更深刻的理解。目前，世界上所有发达国家都在量子计算机的研究上投入了大量的人力和物力。量子计算机不仅与未来计算机产业的发展密切相关，更重要的是，它与国家安全、电子银行、军事和通信等重要领域密切相关。量子计算机结合了20世纪许多杰出的发现和成就。实现量子计算机是21世纪科学技术最重要的目标之一。