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颠覆常规理念：有关量子计算的9大事实

量子计算机[编辑]维基百科，自由的百科全书

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布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法，是创建量子电脑的基础。量子计算机是一种使用量子逻辑实现通用计算的设备。不同于电子计算机，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。一般认为量子计算机仍处于研究阶段。然而2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”[1]。该量子设备是否真的实现了量子计算目前还没有得到学术界广泛认同[2]。2013年5月D-Wave System Inc宣称NASA和Google 共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。[3]

目录[隐藏]

1 历史

2 量子计算机的基本概念

3 目前发展的系统

4 相关条目

5 参考

6 外部链接

历史[编辑]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[4][5][6] [7]。史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年[8]。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[9]。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可观，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。

量子计算机在1980年代多处于理论推导状态。1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后[10]，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。

半导体靠控制集成电路来记录及运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子电脑能做出对数运算[11]，而且速度远胜传统电脑。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。如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40比特的量子电脑，就能在很短时间内高效解开1024位电脑花上数十年解决的问题。

量子计算机的基本概念[编辑]量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看传统计算。传统计算机从物理上可以被描述为对输入信号串行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来实现。

经典计算机具有如下特点：

其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。如输入二进制串行，用量子记号，即。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态：。

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。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。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。

因此量子计算机的特点为:

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。

由此可见，量子计算对传统计算作了极大的扩充，传统计算是一类特殊的量子计算。量子计算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。

北京时间7月19日消息，美国科技资讯网站SAI周三刊登长篇文章，以通俗易懂的语言介绍了有关量子计算学科的9个事实。

以下为文章全文：

量子计算机并不是用来浏览互联网、收发邮件，也不是用来运行常规软件。相反，量子计算机的基础为量子力学。量子力学为物理学的一个分支，该学科创立时间已有100年左右，并对人们的传统看法发起挑战。量子物理学研究对象为很小的事物，如电子和光子等，并试图解决人们此前没能解决的问题。

如果你声称量子计算机简直就是以魔法方式运行，这种说法也没有多少夸张之处。在我们面对这些很小的物体时(试想一下，比单个原子还小)，科幻小说中描写的时间旅行、瞬间移动(teleportation)等奇特现象也只能说是司空见惯。传统意义上的物理学“规则”在这儿不适用。这无疑就可开启一些令人心动的可能性，尤其在数学分支优化学科领域就更是如此。顾名思义，优化就是要从一大堆潜在答案中找出最佳者。对于这门特定数学学科领域而言，它致力于解决现实世界中一些可实际感受到的问题。UPS快递卡车如何选择其最佳投递路线？机场该如何合理安排航班才能保持各航班不会延误？

在处理一些优化计算任务上，传统计算机可谓设备简陋。美国南加州大学克希德·马丁量子计算中心科学主任丹尼尔·里达尔(Daniel Lidar)表示，人类验证蛋白质折叠状态会花上大量时间，自然界却能够在数秒或数分钟内完成这种任务，而传统计算机要解决这些问题，则要花上数十亿年的时间去思考。

从某种程度上讲，量子计算也具有了像自然界那样同世界互动的能力。这可能是一种今人感到难以理解的深奥想法。即便如此，这也仅仅是量子计算机的冰山一角。

1、量子计算机依靠量子力学来运行，而量子力学非常“疯狂”。

与我们肉眼所看到物体的运动规则相比，量子粒子的运动规则却大为不同。举例来说，量子粒子能够同时存在于两个地方，能够快速前进或后退，甚至能够进行所谓的瞬间移动，也就是物理学家们所说的“量子隧道效应”(quantum tunneling)。

这通常是我们在科幻小说中所看到的东西。但在量子世界中，这些现象可谓寻常之极。而科学家们也无法对此给出令人满意的答案。

2、没有人能够真正了解量子计算机的内部会发生什么。

一个被外界所熟知的量子力学理念(也适用于科学的普通法则)，就是对某种活动的简单观察，将会改变事情的结果。我们受限于我们所使用工具的准确性，而这一点对于科学家们敏锐的眼光而言尤为适用。一个量子粒子被观察或以其他方式被测量后，则该量子粒子的属性将永远改变。

3、忘掉0和1的数字位——量子计算机使用“量子位”(qubit)，而这种事情足以让人充满“狂野”思想。

就你的个人计算机核心而言，无疑是通过数位来处理——分别代表0和1的数字位，仅此而已。而量子计算机则使用量子位来实现其运行。与数字位一样，量子位能够代表0或1，但其真正神奇之处，还在于它们的第三种状态，即“叠加”状态——它们能够同时代表0或1。这种神奇的能力也就意味着，同一列量子位能够同时代表大量不同事物。举例来说，如果你组建了两个量子位，则他们能够同时保持四个可能的数值：[0, 0]、[0, 1]、[1, 0]或[1, 1]。

这是否开始变得有点难以理解了？这也没什么。一些以研究量子力学谋生的聪明人，其实也

与我们一样对此感到难以理解。

4、量子计算机能够解决传统计算机根本无法或难以解决的问题。

在解决优化问题时，量子计算机就能够大放光彩。由于一些优化问题过于复杂，如果交由传统计算机来处理，可能会上大量时间，如数十亿年之久。

一个经典例子就是“旅行推销员问题”。想像一下，你眼前的地图上有一大堆城市，并显示出各城市之间的距离。你是一名销售员，正试图找出可走遍每个城市的最短路线。要让传统计算机来解决这个问题，唯一的办法就是记录下每一条可能路线的距离，对它们进行比较后找到最短线路。然而这并不是很“潇洒”的解决方式。

我们还记得，量子位可同时代表一个以上的事物。这也就意味着一台量子计算机能够同一时间尝试无数个可能的路线，并能够在数秒钟内向你返回最短路线的答案，而不用花上地质学

纪年意义上的时间。

5、一些人认为量子计算机正在平行宇宙中运行计算。

没有人能够确认让一个量子位同时代表一个以上事物的机制。它是奇异量子的天性，并颠覆了人们此前对于事情的理解。只是我们不理解，并不意味着事情没有发生。科学家们对于这种可能性有各种各样的见解。我们最能够接受的是多宇宙理论，即理论物理学声称存在着多重(很可能是数量无限)平行宇宙。

在这种模式中，正解决旅行推销员问题的量子计算机，其实很可能在平行宇宙中运行计算，

并追踪在其他宇宙中的潜在线路，目的是大幅减少解决此问题所需计算时间。

6、你的个人电脑能够像超级昂贵的量子计算机那样做很多事情。

考虑到量子计算机能够找到解决问题的最优化方案，它也依赖你每天所使用电脑中的一些基础数学工具。这通常是指已经过优化的基础算术。增加一堆数字并不比将它们加起来高明多少，将数字相乘并不比将他们简单做乘法高明多少。在此类例子中，你的个人电脑效率将与

量子计算机一样具有高效率。

7、随着量子计算机易用性加强以及售价降低，它将给数据加密带来变革。

除解决一些优化问题外，量子计算机将使我们当前有关加密和数据安全的理念得以彻底颠覆。今后任何两个人之间的通话联系，所使用加密技术实际上将无法破解。

8、量子计算机必须在保持极端低温下才能正常运行。

开氏(Kelvin)温标，或者所说的“绝对零度”，也是可测量的最冷温度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，单个原子的动能为零，原子停止运动后，它们也就停止产生热能。美国D-Wave公司所生产量子计算机，其内部温度保持在0.02°K，相当于华氏温标-460°F。

9、量子计算机运算速度之快远超乎你的想像。

美国阿姆赫斯特大学教授凯瑟琳·麦克杰奥奇(Catherine McGeoch)对量子计算机和传统计算机运行速度进行了对比。让这两种设备分别处理同一任务后，麦克杰奥奇得出结论称，量子

计算机的运行速度为传统计算机的“数千倍”。

量子化学计算方法试验

量子化学计算方法试验 1. 应用量子化学计算方法进行计算的意义化学是一门基础学科，具有坚实的理论基础，化学已经发展为实验和理论并重的科学。理论化学和实验化学的主要区别在于，实验化学要求把各种具体的化学物质放在一起做试验，看会产生什么新的物质，而理论化学则是通过物理学的规律来预测、计算它可能产生的结果，这种计算和预测主要借助计算机的模拟。也就是说，理论化学可以更深刻地揭示实验结果的本质并阐述规律，还可以对物质的结构和性能预测从而促进科学的发展。特别是近几年来，随着分子电子结构、动力学理论研究的不断深入以及计算机的飞速发展，理论与计算化学已经发展成为化学、生物化学及相关领域中不可缺少的重要方向。目前，已有多种成熟的计算化学程序和商业软件可以方便地用于定量研究分子的各种物理化学性质，是对化学实验的重要的补充，不仅如此，理论计算与模拟还是药物、功能材料研发环境科学的领域的重要实用工具。理论化学运用非实验的推算来解释或预测化合物的各种现象。理论化学主要包括量子化学，（quantum chemistry）是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。理论与计算化学的巨大进展，正使化学学科经历着革命性的变化。今天的理论与计算化学几乎渗透到现代一切科技领域，与材料、生物、能源、信息和环保尤为密切，理论化学的应用范围将越来越广。理论与计算化学逐步发展成为一门实用、高效、富有创造性的基础科学，在化学、生物学等领域的影响越来越显著，且与日剧增。 2. 应用量子化学计算方法进行计算的目的（1）了解量子化学计算的用途。（2）了解量子化学计算的原理、方法和步骤。（3）通过一两个计算实例进行量子化学计算的上机操作试验。（4）学会简单的分析和应用计算结果。 3. 量子化学计算试验的原理

量子信息与量子计算课程论文

半导体量子点的电子自旋相干和自旋操控摘要:现在各国科学家都在努力希望实现量子计算机，而量子计算机需要一些重要的量子性质，其一是“量子相干性”。该文介绍了量子相干性，并简略介绍了半导体量子点中的电子的自旋相干性，简要探讨半导体量子点的电子自旋操控的方法关键词：量子点自旋相干自旋调控一﹑量子相干性量子相干性，或者说“态之间的关联性”。其一是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言。这个假想实验时这样的：高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行，在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态而进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这是因为，正电子和电子本是通过能量无中生有而来，必须遵守守恒定律。这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，称作“量子相干性”。这种相干性只有用量子理论才能说明。要在量子计算机中实现高效率的并行运算，就要用到量子相干性。彼此有关的量子比特串列，会作为一个整体动作。因此，只要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。这一特点，正是量子计算机能够进行高速运算的关键。二﹑半导体量子点中的电子的自旋相干性

半导体中的电子电荷相干态已经由超快脉冲激光光谱进行了广泛的研究。强的激光脉冲在半导体中产生了大量的电子和空穴,它们的动力学过程大致可分成3 个阶段: (1) 无碰撞或相干阶段。在这个阶段内,电子和空穴与光场之间产生了一个相干的耦合振荡,导致了材料极化强度的振荡,类似于二能级系统的拉比跳跃。 (2) 位相弛豫阶段。在这个阶段内,电子和空穴都失去了它们的位相相干性,类似于二能级系统的退相弛豫。 (3) 准热平衡阶段。由于电子- 声子相互作用,电子和空穴将能量传递给声子(晶格) ,它们分别弛豫到导带和价带的顶部,形成准平衡状态。利用不同延迟时间的泵- 探束瞬态吸收光谱可以测量半导体中的退相弛豫时间。图1 是GaAs 三个激发载流子浓度下瞬态差分透射系数ΔT作为延迟时间的函数。由图1 可见,有两个衰减过程;一个是快过程,另一个是慢过程。前者对应于位相弛豫,后者对应于准热平衡弛豫。实验测得GaAs中的位相弛豫时间分别为30 ,19 ,13fs ,对应于由小到大三个载流子浓度。这个位相弛豫时间是较小的,主要是由电子的谷间散射引起的。

量子化学计算实验详解

量子化学计算方法及应用吴景恒实验目的：（1）掌握Gaussian03W的基本操作（2）掌握 Gaussian03W进行小分子计算的方法，比较不同方法与基组对计算结果的影响，并比较同分异构体的稳定性（3）通过运用量子力学方法计算分子的总电子密度，自旋密度，分子轨道及静电势实验注意：（1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录；实验数据记录不需要画表格（2）实验前请先仔细阅读前面的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作（3）截图方法：调整视角至分子大小适中，按下键盘上的PrintScreen按键截图，从“Windows开始菜单”打开“画图”工具，按Ctrl+v或“编辑-粘贴”，去掉四周多余部分只留下分子图形，保存图片（4）所有保存的文件全部存在E盘或D盘根目录用自己学号命名的文件夹下，不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U盘或其他便携存储设备！（5）HyperChem里面截图时候可以用工具栏以下几个工具调整视图： Rotate out-of-plane：平面外旋转工具，转换视角用 Mgnify/Shrink：放大镜工具，转换视角用 Gaussian03W使用介绍：（注意，下面只是界面示意图，实验時切勿按下图设置）输入文件：Gaussian输入文件，以GJF为文件后缀名联系命令行：设定中间信息文件（以CHK为后缀名）存放的位置、计算所需的内存、CPU数量等作业行：指定计算的方法，基组，工作类型，如：#P HF/6-31G(d) Scf=tight Opt Pop=full #作业行开始标记 P 计算结果显示方式为详细，选择还有T（简单）和 N（常规，默认） HF/6-31G(d) 方法/基组 Opt对分子做几何优化 Pop=full进行轨道布居分析，详尽输出轨道信息和能量电荷多重态：分子总电荷及自旋多重态（2S+1, S=n/2, n为成单电子数）分子结构的表示 1、直角坐标：元素符号X坐标Y坐标Z坐标（如上图所示） 2、Z矩阵（参考后附内容）：元素符号（原子一）原子二键长原子三键角原子四二面角