量子计算机的发展与应用

应用

Technology ApplicationDIGITCW技术

192DIGITCW2019.061 引言2016年，世界第一个量子卫星“墨子号”成功地发射升空，更使得处在科技飞速发展时代的人们越发开始关注量子科技。20世纪，电子计算机的出现改变了世界科技发展的进程，在物理学史册中留下了浓墨重彩的一笔。而量子力学的诞生更是颠覆了人们对传统物理的思考。上世纪80年代，人们开始思考是否可以在经典计算机上实现量子算法，于是量子计算这样一个交叉融合了多个学科的新学科就应运而生。在学科不断发展、前进的过程中，量子计算机应运而生，成为世界科技瞩目的尖端技术手段。在研究电子计算机芯片时人们发现，能耗问题导致了计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片集成度，进一步限制了计算机的运行速度。而能耗的根源即是电子计算中的不可逆操作。摩尔定律告诉我们，以现在科技发展的速度，每隔大约两年，集成电路可以容纳的元件数就会增加一倍。半导体技术的发展日新月异，计算机芯片正在渐渐地迈向物理的极限。人们认识到电子计算机的发展正渐渐受到例如量子效应，元件热效应，集成电路密度等物理极限的束缚：而一些输入规模较大的问题利用现有算法很难在可接受的时间内解出。这被认为是量子计算机的一个研究动机。当电路粗细跨过某个临界值时，电子元件工作时将会出现新的物理现象，这是过去令其工作的理论基础不再奏效，这被称为量子效应。量子计算机正是在这理论基础下诞生了。2 量子计算机工作原理以KONRADZUSE创造的第一台电子计算机为开端的传统意义上的计算机遵循的是经典物理规律，通过操纵代表一位信息（“0”或“1”）的每个晶体管执行计算。而量子计算机主要是基于量子干涉等量子力学规律来快速地运行庞大的数学和逻辑计算、存储并处理信息。量子计算采用量子位，一个量子叠加态运行1个量子比特可同时储存两个传统意义上的信息。量子位可以用二本征态的量子系统来实现。量子位处于叠加态时所有组成态的信息以概率分布，将算符作用在这种叠加态上，就相当于同时对其所有组态进行操作，从而实现量子算法。几百个量子位可以储存大量数字，并且量子计算机能对这些数字同时进行运算，按一定的概率振幅叠加起来，得到计算机的输出结果。2.1 量子计算的步骤量子计算的步骤可概括为“入”、“算”、“出”三个步骤。即：初化、演化、测量。（1）初化。将经典信息转化为量子信息。这是信息进入量子计算的过程，此时经典信息通过编码转化成相应的量子态。（2）演化。量子态依据量子力学原理进行幺正变换。通过第一步得到的信息依照量子算法得出计算结果。（3）测量。第二步骤幺正变换结束后的计算结果在这一过程中转化为经典信息。2.2 量子计算机的优点（1）信息表示与储存经典计算中信息数据都是以二进制的形式表示并存储的。而量子态的叠加性使得任意量子态可储存为“0”和“1”的线性叠加。这样，量子数据和量子信息可以以量子态的形式被储存和表示。这种存储和表示相比较经典的存储形式有着显著的优势——量子位的线性增长会令其存储空间和表示空间进行指数规模的拓展，这是因为量子计算机在运行中，量子信息是以单量子态为储存单位的量子位为度量单位的。（2）并行计算量子计算机相比较于经典计算机，一个凸出的优点便是采用量子并行计算。经典计算机多为线性算法，而量子计算机却大多使用量子多项式算法。1994年，SHOR证明量子计算机并行算法能够有效而快速地地进行大数因子分解。经典计算机工作时是一条线工作，也就是说经典算法是通过多次计算或者是通过多个处理器并行工作完成的。但是量子计算机只需要一次运算（幺正变换）就可以完成对所有叠加态的计算。（3）量子纠缠态如果量子系统中的量子位处于纠缠态，那么它们就不能被表示成子状态的张量积的形式。量子纠缠是量子力学中重要概念，这种现象的独特性在于这种关联跨越了时空，它使得两个处于纠缠态的量子态具有瞬时相关性，也就是说无论二者的物理距离多么的遥远，只要改变其中一个的状态，就会使得另一量子态发生瞬时的变化。很多计算难度系数高的问题，不能够被经典计算机有效计算，而量子纠缠态使得量子计算机相比于经典计算机有了更明显的优势。《自然》杂志发表的一篇文章显示，利用量子纠缠态，可以将物质的未知量子态精确地传送到遥远地点，而物体本身却不需要移动。截止目前，基于量子纠缠的隐形传态通信实验已经获得成功。量子纠缠也在量子通信、量子密匙分配和量子超密编码等方面起着关键的作用。（4）可逆运算早在20世纪70年代人们就发现，能耗问题在很大程度上影响着芯片的集成度，而能耗的根源在于自由度的减小。自由度的减小意味着减小一部分动能，根据能量守恒定律，减小的动能便会转化成势能和热能。这一切原因都来自经典计算机的不可逆操作。而量子计算机保留一个无用比特，将不可逆操作变成可逆操作，用一个幺正变换可代表一次量子计算机计算。3 量子计算机的应用量子计算机一个最有优势的应用便是加密解密。前文提到的量子计算机可以有效地进行大数因式分解，而这也意味着电子银行、网络等领域的密码体系会得到致命冲击。而科学家也已经证明密级最高的1024位公钥密码体制，使用“1024量子比特”的量子计算机，破解只需要5天的时间，可见量子计算机对世界密匙系统将会带来前所未有的挑战。许多国家现在已经开始进行相关领域的研究，2016年4月，美国国家标准与技术研究所开始了一项持续4到6年的公开评估过程，同时也很有可能会使用量子纠缠的单向排列来开发量子加密方法。与此同时，量子计算机还将在粒子物理学、金融模型、人工智能、分子模型等方面起到举足轻重的作用。4 结束语量子计算机目前，还有一些问题亟待解决。执行运算的量子比特会与外界环境发生作用。其作用会导致结果相（下转第186页）浅析量子计算机的原理与应用乔佳韵（山东省青岛第二中学，青岛 266100）摘要：量子计算机是通过模拟量子系统，利用量子算法实现计算的一类机器。它是以量子力学为基础，可以进行逻辑运算，信息存储，并可以实现高速数学运算的物理装置。本文阐述了量子计算机研究动因、工作原理、计算步骤、优点等。文章结合量子计算机目前发展历程，对其应用与发展进行了解释与设想。关键词：量子计算机：量子计算：量子纠缠doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.06.155中图分类号：TP38 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）06-0192-02应用

量子计算机发展简史

原著：Simon Bone & Matias Castro 翻译：bianca 2003年3月26日

内容摘要

听起来好像有点奇怪，计算机的未来可以被建筑在一杯咖啡周围。那些咖啡因分子恰巧是构建“量子计算机”－－一种能够保证提供可在几秒钟内破解密码的思想回应功能的新型计算机的可能组成部件。

内容目录

1.介绍

1.1量子计算机的基本要素

1.2量子计算机的缺点－－(电子)脱散性

1.3取得结果

2.通用计算的理论

2.1加热流失的信息

2.2通用量子计算机

2.3人工智能

3.建立一台量子计算机

3.1量子点

3.2计算流体

4.量子计算机的应用

4.1Shor算法－－Shor的算法－－一个范例

4.2Grover算法

4.3量子机械系统的模拟

5.量子通讯

5.1量子通讯是如何工作的

5.2量子比特的任务

6.当今进展及未来展望

7.结论 8.术语表

9.参照表

9.1书籍

9.2人物

9.3杂志文章

9.4网页

1.介绍

经常会有能使计算机的性能大大改善的新技术出现。从晶体管技术的引进，到超大规模集成电路的持续性发展，科技进步的速度总是如此无情。近日来，现代处理器中晶体管体积的减小成为计算机性能改进的关键所在。然而，这种不断的减小并不能够持续很长的时间。如果晶体管变得太小，那种对量子机械的未知影响将会限制它的性能。因此，看起来这些影响会限制我们的计算机技术，它们真的会吗？ 在1982年，诺贝尔奖获得者－－物理学家Richard Feynman想出了 “量子计算机” 的概念，那是一种利用量子机械的影响作为优势的计算机。有一段时间，“量子计算机”的想法主要仅仅停留在理论兴趣阶段，但最近的发展令这个想法引起了每一个人的注意。其中一个进步就是一种在量子计算机上计算大量数据的算法的发明，由Peter Shor(贝尔实验室)设计。通过使用这种算法，一台量子计算机破解密码可以比任何普通(典型)计算机都要快。事实上，一台能够实现Shor算法的量子计算机能够在大约几秒内破解当今任何密码技术。在这种算法的推动下，量子计算机的话题开始集中在动力上，全世界的研究人员都争当第一个制造出实用量子计算机的人。

量子计算机的原理和应用

1. 什么是量子计算机？

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机器，使用量子比特（qubit）而不是经典计算机中的经典比特（bit）来进行计算。量子计算机的工作原理与经典计算机完全不同，利用了量子叠加态、量子纠缠态等量子力学现象，可以在某些特定的应用场景中实现远远超过经典计算机的计算能力。

2. 量子计算机的基本原理

量子计算机的基本原理可以概括为以下几点：

• 量子叠加态：与经典比特只能表示0或1的状态不同，量子比特具有量子叠加态的特性，可以同时处于0和1的状态。这种叠加态的存在，使得量子计算机能够处理大量并行计算，大大提高了计算效率。

• 量子纠缠态：量子纠缠是量子力学中一种奇特的现象，多个量子比特之间可以形成纠缠态，相互间的状态会密切关联。量子计算机利用量子纠缠可以实现远距离之间的数据传输和量子操作，这在经典计算机中是无法实现的。

• 量子门操作：量子计算机中的量子门操作类似于经典计算机中的逻辑门操作，可以改变量子比特的叠加态或纠缠态。通过适当的量子门操作，量子计算机可以进行复杂的计算任务，并最终得到计算结果。

• 量子测量：量子计算机在计算完成之后需要进行量子测量，得到最终的计算结果。在量子测量的过程中，量子比特的状态会塌缩为经典比特的0或1，得到一个确定的计算结果。

3. 量子计算机的应用领域

量子计算机的超高计算能力使其在许多领域有着重要的应用前景。以下是几个目前已经有所突破或有望有突破的应用领域：

• 密码学：量子计算机的破解能力极大地威胁着当前的加密算法，但同时也为密码学提供了新的契机。量子密码学作为一种新型的密码学方法，可以抵抗量子计算机的攻击。量子通信也可以通过量子纠缠实现绝对安全的通信。

• 模拟物理系统：量子计算机可以模拟和研究各种复杂的物理系统，如量子材料、量子化学反应等。这种能力对于材料设计、药物研发等领域具有重要意义，可以加速新材料和新药物的发现过程。 • 优化问题：许多实际问题可以转化为优化问题，如交通调度、供应链管理等。量子计算机在解决这类问题方面具有巨大的潜力，可以快速找到最优解，提高效率和降低成本。

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计算机应用基础教案

教 案

课程名称： 计算机应用基础 第一节 计算机的发展与应用

教师姓名 ××× 班 级 授课形式 新 授

授课日期 授课时数 1

章节名称 第一章 计算机基础知识

第一节 计算机的发展与应用

教学目的 1、了解电脑的发展历史及发展趋势，特别是我国计算机的发展历程。

2、了解电脑的分类及其特点。

3、使学生充分认识到计算机在现代社会中的重要作用，激发学生学习电脑的浓厚兴趣。

教学重点 使学生了解计算机的发展简史

教学难点 计算机的发展简史

教学手段与资源 理论：使用多媒体教学方法讲授（.PPT）

新课导入： 时间： 5分钟

随着科技进步和发展，计算机的应用已经深入到人们的工作、学习、生活和娱乐的各个领域，作为人的智力和体力的延伸，掌握计算机的使用已成为现代人的基本要求。（了解学生对计算机基础的掌握情况）

教学过程与组织 时间：35分钟 教学提示

一、教学内容：

1、了解计算机的发展；

2、计算机的特点

3、计算机的分类；

4、计算机的主要应用；

二、教学基本要求

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了解计算机的特点、发展史（包括微型计算机的发展史）、类型、应用领域及前景。

三、教学过程：

计算机的发展历史：

1、 世界上第一台计算机：1946年2月16日，美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学校物理学家穆奇里和工程师爱开尔特等一批研究人员，经过四年的艰苦努力终于研制出世界上第一台大型数字电子计算机，它的名字叫ENIAC（埃尼阿克）。它用了18800多个电子管，1500多个继电器，每小时消耗电150度，每秒运算5000多次，占地150平方米，重量达30多吨。真是个令人望而生畏的庞然大物。

阶段 年份 物理器件 软件特征 应用范围