量子计算机

是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。
不同于电子计算机(或称传统计算机),量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。随着计算机科学的发展,史蒂芬·威斯纳在1969年最早提出“基于量子力学的计算设备”。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大·豪勒夫(1973)、帕帕拉维斯基(1975)、罗马·印戈登(1976)和尤里·马尼(1980)年发表。史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年。1980年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982年,理查德·费曼在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。紧接着1985年大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。
人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当长,甚至是不切实际的天文数字。理查德·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,从而量子计算机的概念诞生。半导体靠控制集成电路来记录及运算信息,量子计算机则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。
量子计算机在1980年代多处于理论推导状态。1994年彼得·秀尔提出量子质因数分解算法后,证明量子计算机能做出离散对数运算,而且速度远胜传统计算机。因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体比喻成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40比特的量子计算机,就能在很短时间内解开1024位计算机花上数十年解决的问题。因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后,量子计算机变成了热门的话题,除了理论之外,也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。
基本概念:
量子比特由受控粒子和控制方法组成(比如,捕获颗粒的设备能将他们从一个状态切换到另一个状态).传统计算机即对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路实现。
输入态和输出态都是传统信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。
传统计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,传统计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。
量子计算机分别对传统计算机的限制作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的正变换。
量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;量子计算机中的变换为所有可能的正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。
传统计算是一类特殊的量子计算,量子计算对传统计算作了极大的扩充,其最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些传统计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。
实现进程:
2015年5月,IBM在量子运算上获取两项关键性突破,开发出四量子比特型电路(four quantum bit circuit),成为未来10年量子计算机基础。另外一项是,可以同时发现两项量子的错误类型,分别为bit-flip(比特翻转)与phase-flip(相位翻转),不同于过往在同一时间内只能找出一种错误类型,使量子计算机运作更为稳定。
2015年10月,新南威尔士大学首度使用硅制作出量子闸。
2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机。
2017年5月,中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了当前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍,比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍,虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。
2017年7月,美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器。哈佛大学米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子,并使用激光将原子固定。
2018年6月,英特尔宣布开发出新款量子芯片,使用五十奈米的量子比特做运算,并已在接近摄氏零下273度的绝对零度中进行测试。
2019年1月8日,IBM在消费电子展(CES)上展示了已开发的世界首款商业化量子计算机IBM Q System One。
2019年3月12日, IBM发布了量子性能的“摩尔定律”。
转自:维基百科

凡是运动规律遵从量子力学的那些客体统统叫量子,量子器件是人类往量子的世界前进的一个重要步骤,通用量子计算机得到实际应用是量子时代到来的标志。

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