量子计算机工作原理揭秘

2010-11-15 21:44

当今的计算机厂商提供的强大计算处理能力仍不能满足我们对运算速度和运算能力的渴求。1947年，美国计算机工程师霍华德·艾肯(Howard Aiken)曾说，只要六台电子数字计算机就可以满足全美国的计算需要。其他人也做过类似的错误估计，说什么仅需多少计算能力就能满足我们不断增长的技术需求。当然，艾肯没有算上日后科学研究产生的大量数据，以及个人计算机的普及，还有互联网的崛起：所有这些都使我们对计算能力的需求与日俱增。

我们是否终有一天能够拥有需要的或是希望的计算能力呢？如果像摩尔定律指出的那样，微处理器上的晶体管数目保持每18个月翻一番，那么到2020或2030年微处理器上的线路就会到达原子水平了。顺理成章的下一步将是建造量子计算机，充分驾驭原子和分子的能力，将其用于存储和计算工作。量子计算机在进行某些计算的时候可以比任何硅基计算机快出很多。

科学家已经建造起一些能够完成某种运算的简单量子计算机，但要制造实用的量子计算机还要等上很多年。

量子计算机定义

量子计算的起源距离现在并不很远。尽管计算机早在上世纪四十年代就已出现，但量子计算的理论在20年前才由美国阿贡国家实验室的一位物理学家首次提出。世人公认保罗·贝尼奥夫(PaulBenioff)在1981年第一次将量子理论用于计算机，提出了制造量子图灵机的理论。大部分数字计算机，比如您正用来阅读文章的这台，都是基于图灵理论的。

阿兰•图灵(Alan Turing)于19世纪30年代提出的图灵机包含一条无限长的、被分成无数小格的带子。每个格子要么保存一个符号（1或0）要么是空白。一个读写装置可以读取这些符号和空白，它们构成了图灵机的程序指令。听起来是否有些耳熟呢？那么对于量子图灵机，区别在于带子和读写头都以量子态存在的。这意味着带子上的符号除了可以是0或1，还可以是0和1的叠加。常规的图灵机每次只能完成一个计算，而量子图灵机可以同时进行多个计算。

今天我们使用的计算机像图灵机一样，通过操作具有两种状态的位元（0或1）进行工作。量子计算机不只依靠两种状态。它们将信息编码为量子比特，或称昆比特（qubit）。量子比特可以是1或0，也可以是某种叠加态：即同时是1、0或二者之间的某个值。量子比特由一组原子实现，它们协同工作起到计算机内存和处理器的作用。因为量子计算机可以同时包含这几种状态，所以它可能比当今功能最强大的超级计算机还要强大数百万倍的计算机。

这种量子比特的叠加使量子计算机具有内在并行性。物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)指出，这种并行性使量子计算机能够同时进行一百万条计算，而台式PC只能进行一条计算。一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒十万亿次浮点运算(teraflops)的传统计算机的水平相当。当今典型的台式机运行能力为每秒十亿次浮点运算(gigaflops)。

量子计算机还利用了量子力学的另一个机制，即纠缠。量子计算机的设想存在一个问题：若对亚原子水平的粒子进行观察则会破坏粒子的状态，即改变了它们代表的值。但是在量子物理中，对两个原子施加外界作用可导致它们互相纠缠，使第二个原子具有第一个原子的性质。因此当不受干扰时，原子的自旋方向是不定的，而一旦受到扰动，原子就会选择一个确定的方向或值。同时第二个处于纠缠的原子会选择相反的方向或值。这个原理使科学家们能够不进行实际的观察而得到量子比特的值，从而避免将它们塌缩回1或0的状态。

量子计算机现状

量子计算机将来可以像晶体管取代电子管那样取代硅芯片。但是我们现在的技术还没有达到制造这种量子计算机的水平。量子计算的大部分研究还处于理论阶段。

当今最先进的量子计算机也只能操作7个量子比特，就是说还处于计算“1+1”的阶段。然而，量子计算机有朝一日可以轻松便捷地完成在传统机器上极其耗时的计算，这种潜力始终存在。近年来在量子计算领域产生了关键的进展。下面我们看看几台已开发出的量子计算机：

*2000年8月，IBM-Almaden研究中心的研究人员宣布制成了一台据称是当时最先进的量子计算机。这台量子计算机的5个量子比特由5个相互作用的氟原子核构成，使用无线电频率脉冲编程，并使用类似于医院中的核磁共振(NMR)设备（有关详细信息，请参见核磁共振成像原理）进行探测。这支由艾萨克·庄(Isaac Chuang)博士领导的IBM小组成功地仅用一步解决了一个用传统机器需要循环才能解决的数学问题。这个称为寻秩的问题涉及查找一个特定函数的周期，是密码学中经常遇到的众多数学问题之一。

*2000年3月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们宣布研制了一台包含7个量子比特，存在于一滴液体中的量子计算机。该量子计算机使用核磁共振操纵反式丁烯酸分子原子核中的粒子。反式丁烯酸是一种简单的液体，其分子由六个氢原子和四个碳原子组成。核磁共振可用来产生促使粒子排列起来的电磁脉冲。处于与磁场方向相同或相反的位置的粒子使得该量子计算机可以模仿数字计算机来按比特对信息进行编码。

*1998年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和麻省理工学院的研究人员设法将一个量子比特的信息扩展到丙胺酸或三氯乙烯溶液中每个分子的三个核子自旋态上。将量子比特进行扩展可以使它比较不容易被破坏，而且研究人员可以利用纠缠机制来研究量子态之间的相互作用，并以此作为一种间接分析量子信息的方法。

一旦实用的量子计算机被制造出来，它们在大整数因子分解方面会大显身手，这对保密信息的编码和解码极为有用。要是现在就有这样一台量子计算机，互联网上就不再有信息安全可言。与通过量子计算机可实现的复杂算法相比，我们目前使用的加密技术过于简单了。此外，量子计算机还可用于检索大型数据库，所用时间会比传统计算机少得多。

但是，量子计算仍处于初期发展阶段，还要很多年人们才能掌握实用量子计算机所需的技术。量子计算机至少需要几十个量子比特才能解决现实世界中的问题，进而成为一种可行的计算方式。