量子计算机

在最近的nature 周刊上，来自美国标准技术研究院的Emanuel Knill，以问答的方式介绍了关于量子计算机的基础知识，并且对发展前景做出了展望。现综述如下：

在传统（或经典）计算机中，信息用0 和 1 组成的字符串表示（每位一个比特，不是0就是1）。量子比特与经典的区别在于，前者应用了叠加原理；以至于量子比特可以是0 和 1的任意组合，例如：|y> = a| 0> +b|1> ，其中a和b分别代表相干叠加态中| 0> 态和|1>态的比例系数。与经典情况类似，量子比特也可以构成比特串。基于量子相干效应，满足a² +b² = 1条件的系数取值有无穷多组，因此量子比特串所代表的信息得以大大丰富。量子比特的构成可以利用光子的偏振，也可以利用被捕获离子（或原子）的能级，还可以利用超导线路（其中包括与电荷量相关的Cooper对箱，以及与环流方向相关的左/右旋环流之叠加态）。对量子信息的物理操控，包括对量子比特状态的初始化、逻辑门控制以及状态测量等。对某些问题，量子计算机可以做得比经典计算机快。但对于“词处理”一类的问题，考虑到要另外耗费量子比特操控资源，量子计算机不具有速度优势。

关于量子计算，原本只有学术方面的兴趣。1994年Peter Shor设计了一个非常有效的量子运算法则，用于将大数分解成两个素数因子；之后引出了一系列有关使用量子系统求解 “甲骨文问题” 的研究成果。Peter Shor的算法可以轻易破解当今在互联网上普遍使用的通信密码，这使得圈内专家开始评估构建量子计算机的可行性。理论表明：如果使用量子计算机仿真模拟量子系统，其求解速度将以指数方式提高。此外，对于最佳化以及积分问题，量子计算机的加速能力也是明显的。为构建量子计算机，首先要求量子比特与环境隔绝，避免“退相干”。使用逻辑门操控量子比特是我们所要做的，但退相干则引入误差。

纠缠是指两个粒子密切相关。首先A粒子和B粒子必须分别处于叠加态，纠缠量子对的状态可（例如）表示为：|y_AB> = | 0_A0_B>± |1_A1_B> 和|y_AB> = | 0_A1_B>± |1_A0_B> 。更重要的是，如果我们对A粒子的状态进行测量得到的结果是0，则B粒子必将坍缩到|1> 态，反之亦然。利用相互纠缠的量子对，可以对信息传输进行加密或解密。然而，纠缠的应用对增强量子计算机的功能而言，尚没有圈内的共识。

对量子比特做出精确的物理操控，是量子计算机给出正确结果的关键。我们不可能纠正每一个可能发生的错误，最终的量子纠错测试应在一台规模化的量子计算机上完成。量子计算机出错的途径比经典计算机更多，纠错任务的完成要求附加许多硬件（如量子比特和逻辑门）。对于出错几率的上限已经有了一个共识，即应小于0.0001。目前，还没有足够精确的量子逻辑门被展示，这也是业界所面临的一大挑战。利用8个被捕获的离子构成8位量子比特串，在这台迷你尺寸的量子计算机（只能算得上是量子寄存器）上，研究者已经展示了它分解“大数” 的能力（15 =3×5）。预计，在极低温条件下被捕获的原子阵列（作为量子比特阵列），将很快被用于量子过程的仿真模拟。Emanuel Knill乐观地估计，在他有生之年可以看到：能够完成有趣运算的量子设备。

（戴闻  编译自Nature463（2010）：441-443 ）