量子计算概念范文

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第1篇

量子力学是一门高深莫测的学科，离普通人很远，但正因为有了它，催生了现代半导体技术，从而有了大家都不离不开的电脑。现在，这门神奇的学科将再次登场，用最新的量子计算机来改变世界。

量子计算机是什么，这是个要首先说明的概念。这项概念，最早由大物理学家费曼提出。他在计算量子模型时，发现所面对的数据是天文级的，如果由普通的计算机来进行模拟，时间所耗甚巨。在一筹莫展的时候，他突然想到，如果计算机的架构也跟量子系统一样，是不是就能解决这一问题呢。为此，他提出了量子计算机的概念。不过，量子计算机在很长的时间内只停留在理论的层面。到了1994年，贝尔实验室的科学家证实了量子计算机在计算对数方面优于普通计算机，于是引发了研发的热潮。那什么是量子计算机呢。以我们平常已经熟悉不过的计算机为例，它的基础是二进制，而二进制建立在半导体器件的导通和截至两种状态上。而量子计算的基础是每个原子的不同状态，比如一个原子顺时针转和逆时针转，这就是两种不同的状态；还有两个原子纠结在一起，术语叫量子缠绕，这又是不同的状态。根据这些不同的状态，我们就可以赋予其不同的数值，这样一来，通过改变原子的状态，就能进行计算了。这种改变使得计算的效率大为提高，1个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。

量子计算机这么好，为什么难于实现呢。因为原子的状态很不稳定，不容易控制。但是，最近的一则消息让人眼前一亮。IBM的科学家近日宣布，距离掌握量子计算机的基础技术又迈进了一步。这些科学家已找到了维持量子完整性和减少量子计算错误的方法，通过把传统硅制作工艺下生产的量子进行超导处理，从而就有可能实现维持数千甚至数百万的量子位保持一天的稳定状态。该项目的负责人称，“我们做的量子计算研究表明，它不再仅仅是个暴力计算的物理实验。现在就可以根据该成果去制作新的计算系统，由此将把高性能计算推向一个全新高度”。量子计算的目标是实现计算机只用一个量子就可以“瞬间完成几百万次计算。这些科学家们，在升级到一种“三维”超导量子(3D量子)后，就能将量子位的稳定状态延长到100微秒，而这已经是先前的2到4倍。尽管不是永恒稳定，但他们认为这样的状态“已经刚好达到容错计算的最低界限，也就意味着科学家可以开始重点研究进一步延长稳定状态方面的工作了”。现在，利用蓝宝石芯片，IBM已制造了一台3D量子设备来展示其研究成果。

在研制量子计算机的过程中，科学家们已经突破了很多障碍，现在的计算性能比2009年中期以来以提升了10倍，距离科学界确定的全尺寸量子计算机所需满足的最低要求已经非常接近了。但是如果要让量子计算机走进我们的生活，那还有很长的道路要走。同时，现代集成电路封装和通信技术也必须要有极大的进步，这样才能实现量子计算机与现代数据系统的对接。

第2篇

自1982年理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念之后，人们对它颇为关注，众多研究机构更是试图借此开辟计算机时代的新纪元。但是，任凭人们千呼万唤、前赴后继，都没能够彻底揭开量子计算机的面纱。那么，量子计算机到底发展到了什么样的阶段？遇到了什么障碍？此次诺贝尔奖会对量子计算机的研发起到什么推动作用？量子计算机一旦面世，随之而来的会是什么？

量子计算机是大势所趋

所谓量子计算机，简单来说就是利用量子携带信息、存储数据，遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。我们熟知的传统计算机的“心脏”依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总是有限的。

硅晶体管作为在芯片上传输信息、处理信息的微型开关，每年都在缩小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸缩小（现已达到纳米级）将限制性能的提升。所以，对晶体管进行传统的尺寸的扩展和收缩操作，不能再产生行业已经习惯的更低功耗、更低成本、更高速度的处理器的效果。虽然英特尔的22纳米处理器已经面世，还计划于2013年推出14纳米处理器，对于10nm、7nm以及5nm的制程研发路线图也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的负10次方米以下，就会明显出现量子特性，所以大部分物理学家坚持认为，摩尔定律不可能无限维持。

为了突破这道瓶颈，

IBM一直致力于研发碳纳米管芯片，其研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，从而能够获得比硅质器件更快的运行速度。IBM声称这一成果有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效。但是，如何获得高纯度的碳、如何实现完美的制造工艺又是不可避免的问题。

因为量子计算机是利用量子携带信息的，所以，传统计算机面临的挑战恰恰是量子计算机的优势所在。量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定，根据量子力学原理，粒子的量子状态是不同量子状态的叠加。所以，量子计算机计算时采用的量子比特在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，传统计算机在运算中采用的传统比特在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这就是量子计算机与传统计算机最大的不同之处。由于量子叠加状态的不确定性，量子计算可以同时进行大量运算，它的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。所以，量子计算机是大势所趋。

实现方案众多

量子计算机以其独特的运算逻辑和强大的运算性能吸引了无数研究机构和科学家对其进行研究，也相继取得了一些成果。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，所以研制量子计算机，关键在于成功操控单个量子。相信大家一定对“薛定谔的猫”这一理论并不陌生，关在密闭笼子里的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是活着还是死亡。所以，处于宏观世界的我们如何才能够有效操控微观世界的粒子，是极大的难题。从理论上讲，量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

阿罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作；瓦恩兰的团队则利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁；IBM的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，依赖耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展，意欲基于微电子制造技术实现量子计算；美国普林斯顿大学物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大学圣巴巴拉分校的科学家利用电子的自旋特性，寻找到了操控电子的方法；利用声波和超导材料，也可以实现量子计算机的拓展；总部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银，柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而这正可以用来实现量子计算。

众多方法中，最值得一提的便是阿罗什和瓦恩兰的做法。阿罗什构造了一个腔，把单个光子囚禁在光腔里，实现量子的操控，再往腔里放入单个原子，使原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控它们的状态。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球，而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而且单个粒子在实验过程中还能保持量子的物理性质。

中国科学院院士郭光灿这样评价阿罗什和瓦恩兰的成就：量子计算这个领域已经取得了飞速发展，现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个离子，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的，此外，还会有各种各样的腔，比如光学腔、物体腔和超导腔等。现在做量子计算机，实际上就是做芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这一步能实现，量子计算机有希望在这方面实现实质性突破。

过程艰难 但前景乐观

自“量子计算机”的概念提出到现在的30年间，科学家们纷纷涉足，不管是在理论方面，还是实践方面，都取得了一些不可忽视的成就。

近几年来，量子计算机的领域更是全面开花，量子计算机不再是人们“只闻其名，不见其形”的概念型产品。英国布里斯托尔大学等机构以奥布赖恩为领导的研究人员更是在新一期美国《科学》杂志上宣布，成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片。奥布赖恩表示，利用这种芯片技术，10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

想要研制出实用的量子计算机，需要面临科学技术方面的多重挑战，其中最主要的两大障碍就是：如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。阿罗什和瓦恩兰给出的实验方法均成功地打破了这些障碍，实现了基础性的突破。近几年来，研究人员以他们的研究成果为出发点，不断探索，取得了快速进展，可谓前景乐观。

需要注意的是，量子计算机的出现会将网络安全置于非常危险的境地，给现有的社会和经济体系以及国防带来潜在威胁。目前大部分的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子，这是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而，量子计算机能够借助其强大的运算功能瞬间完成密码破译，这严重动摇了RSA公共码的安全性。

目前，量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具，娱乐价值似乎更高一些，但是在不久的将来，它一定能够引领计算机世界的潮流。

相关链接

量子计算机发展简史

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念。

1985年，英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能够完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，它基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2009年，世界第一台通用编程量子计算机在美国国家标准技术研究院诞生。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

2010年3月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

第3篇

AR游戏偃旗息鼓，量子通信强势爆发。量子通信产业链驱动因素如下：第一，全球信息安全形势日益严重，量子通信将成为国家信息安全问题的最佳解决方案之一。欧盟计划2018年前启动10亿欧元的量子技术项目，美国也了国家量子环网计划。第二，“十三五”规划中已将量子通信和天地一体化信息网上升到国家战略高度。今年下半年“京沪干线”、“杭沪干线”和“乌镇量子通信城域网”建成，标志着量子保密城际固网建设逐步展开。未来三年京津冀、长三角、珠三角等重点城市群将启动量子通信城域网建设，未来三年约有20个城市将建量子通信城域网。第三，机构预测，到2020年，我国量子通信市场规模将达到210亿元，量子通信产业链潜在市场规模500-1000亿元。第四，综合新华社等媒体报道，我国首颗量子试验通信卫星有望于7月择机发射，我国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，有望实现全球化的量子保密通信飞跃，迎来量子通信产业腾飞。

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