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近10年来关量子计算的研究

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近10年来关于“量子计算”问题的研究评析
肖超
衡阳师范学院物电系 衡阳市 （421008）
摘要：本文立足于科学的角度对当前的前沿热门课题“量子计算”进
行全面而系统的论述，文主要分四个部分。第一部分为绪论，主要对
有关量子及量子计算的相关概念进行解释、其发展的历史背景及发展
过程。第二部分为文章的主体，详细的论述了近十年来有关该问题的
研究进展及研究现状，并且作者一一作了评析。第三部分为量子计算
的有关应用。第四部分为总结，对近年来有关该问题的研究进行了总
结性概括，并针对目前研究的现状及未来的发展前景提出自己的见
解。作者期望通过此评析达到两个方面的作用和意义。第一，让各位
学者清晰的看到有关量子计算反面的研究现状；第二，期望能够给该
领域的科学研究者带来一定的参考价值。
关键词：量子计算；量子算法；纠缠态；量子计算机
一 绪论
众所周知, 信息科学在推动人类社会文明进步和提高人类生活
方面发挥着重大作用, 然而, 在人类迈入二十一世纪的今天, 信息
科学也面临着新的挑战。经典计算机随着电子元器件发展空间接近于
极限值,其运算速度也将接近于极限值。另外, 计算机能否实现不可
破译? 不可窃听的保密通信? 这些问题都是近年来数学家和电子技
术方面的专家们关注的主要课题。如今, 随着量子理论的和信息科学
的相结合, 为这些问题的解开开辟了新的方向, 从而也使得量子计
2

算机成为了当今科研方面研究的热题。在微观领域中，某些物理量的
变化是以最小的单位跳跃式进行的，这个最小单位叫做量子。量子计
算式一种依照量子力学理论进行的新型计算。

二 量子计算的研究进程
荷兰的学者Kristel Michielsen 和Hans De Raedt等近年开发的
量子仿真器作为一个学习量子计算机和量子算法的交互教育软件,
采用图形交互界面, 运行在Windows98/NT/2000/ME/XP 环境下, 一
个模拟磁核共振实验的量子仿真器, 这个仿真器允许研究人员自由
设计脉冲来实现量子算法, 是为完善的量子计算仿真器
2007年来自美国加州大学(Santa Barbara)的MaxHofheinz 等人
将上述超导谐振器与超导量子比特耦合, 在谐振器中制备出了事先
设计好的量子态. Josephson qubit在耦合中起一个“光子铲车”的作用,
将光子一个接一个地装入谐振器. 研究者使用新构建的装置, 在装载
每一个光子的过程中, 不仅控制qubit 中叠加态的幅值, 也控制基态
|g〉和 激发态|e〉的相对位相, 如精确装载波函数为(1/√2)(|g〉−i |e〉)
的叠加态. 最终, 在谐振器中得到了多种复合N -光子态, 它们分别满
足事先对终态的设计. Hofheinz等人应用Wigner 层析法使各种终态
成为可见. 在医学诊断中使用的“X 射 线-CT” 或“核磁共振”, 可以
采用Wigner 层析法通过不同视角的大量测量(使用全同的qubit作为
终态诊断的探针, 卸载谐振器的N-光子态)重构量子态的图像。
我国在这方面也积极参与, 《自然》杂志2004 年发表了中国科
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技大学潘建伟教授等完成的重大研究成果: 五粒子纠缠态以及终端
开放的量子态隐性传输的试验成功, 在国际上首次取得五粒子纠缠
态的制备与操纵, 这表明中国科学家在国际上首次实现了5 个粒
子的量子纠缠态, 在世界上率先实现了五个粒子的量子互动传输。但
有关量子计算机的硬件制作及其应用的研究尚处于起步。
三 量子计算的应用
1．保密通信
由于量子态具有事先不可确定的特性，而量子信息是用量子态编
码的信息, 同时量子信息满足“量子态不可完全克隆定理”。 也就
是说当量子信息在量子信道上传输时， 假如窃听者截获了用量子态
表示的密钥，也不可能恢复原本的密钥信息， 从而不能破译秘密信
息。 因此， 在量子信道上可以实现量子信息的保密通信。
2．量子算法
对于一个足够大的整数， 即使是用高性能超级并行计算机， 要
在现实的可接受的有限时间内， 分解出它是由哪两个素数相乘的是
一件十分困难的工作， 所以多年来人们一直认为RSA 密码系统在计
算上是安全的。然而,Sho r 博士的大整数素因子分解量子算法表明，
在量子计算机上只要花费多项式的时间即可以接近于1 的概率成功
分解出任意的大整数, 这就使得RSA 密码系统安全性极大地受到威
胁。因此， Sho r 算法的发现给量子计算机的研究注入新活力， 并
引发了量子计算研究的热潮。
四 总结
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从上文可看出，有关量子计算的信号传输以取得较好发展，但其相关
的信号存储及相应硬件设施尚处在起步阶段，我认为下阶段的有关量
子计算的研究要把有关量子信号存储及相应硬件的研究与量子信号
传输与处理放在同等的地位。总之，有关量子计算与量子通信方面的
研究必将带来量子计算机的问世，或许，那就是下一场科技革命吧！

参考文献：

【1】李承祖等.量子通信和量子计算[M].国防科技大学出版社.长
沙:2000.
【2】杰拉德·米尔本.神奇的量子世界[M].北京:新华出版
社,2002:179- 181.
【3】钟诚.陈国良.量子计算及其应用[J]. 广西大学学报(自然科学
版) ,2002,27 (1) : 83- 85.
【4】李继容.量子计算的研究与应用[J].微计算机信息.2006.27：
275-277.
【5】计算机世界报. 2004.28：7- 8.

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《中科院量子力学考研真题及答案详解(1990—2010共40套真题)》

《中科院量子力学考研真题及答案详解(1990—2010共40套真题)》

0, r a (V0 0) V (r ) V0 , r a
问： (1) 存在 s 波束缚态的条件是什么？ (2) 当粒子能量 E 0 时，求粒子的 s 波相移 0 ； (3) 证明 lim 0 n , n 为整数。
E 0
, z 0 (G 0) 中运动。 五、质量为 m 的粒子在一维势场 V ( z ) Gz , z 0 (1) 用变分法求基态能量，则在 z 0 区域中的试探波函数应取下列函数中的哪一 个？为什么？
E
n

n
E0 n x 0
2
常数
ˆ2 ˆ p 这里 En 是哈密顿量 H V ( x) 的本征能量，相应的本征态为 n 。求出该常数。 2m 三、设一质量为 的粒子在球对称势 V (r ) kr (k 0) 中运动。利用测不准关系估算其 基态的能量。 四、电子偶素（ e e 束缚态）类似于氢原子，只是用一个正电子代替质子作为核，在非 相对论极限下，其能量和波函数与氢原子类似。今设在电子偶素的基态里，存在一 ˆ 和M ˆ 8 M ˆ M ˆ 其中 M ˆ 是电子和正电子的自旋磁矩 种接触型自旋交换作用 H e p e p 3 ˆ , q e) 。利用一级微扰论，计算此基态中自旋单态与三重态之间的能 ˆ q S (M mc 量差，决定哪一个能量更低。对普通的氢原子，基态波函数： 1 r a e2 1 2 100 e , a , 3 2 me a c 137
ˆ ，证明能量表象中有 五、如系统的哈密顿量不显含时间，用算符对易关系 x, p

r3 2
常数（ 0 ）中运动，试用测不准关系估算基
En Em xnm
n

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量子计算机

量子计算机

量子计算机量子计算机处理器量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。

研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

量子计算机量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。

可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。

理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。

量子计算机的概念从此诞生。

2量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。

一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，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和运算信息，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。

图2：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，是建立量子计算机的基础。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。

研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。

那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。

既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。

早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。

量子算法的研究进展

量子算法的研究进展


作者简介 ： 马宏 源（９３ １８——） 女 ， ， 白城师范学院物理 系讲师 ， 理学硕士 ， 究方向： 研 量子光 学
基 金项 目： 白城青年基金项 目“ 型量子 算法的研 究” ［０ ０ Ｃ ５号） 典 （２ １］ １ 成果之 一．
５
白城师范学 院学报
第２ ５卷 第 ５期
化， 首次在实验上发现了绝热定理成立条件的非充 分必要 性 ， 相关 研究 成 果 发表 在 ２０ ０ ８年 ８月 ８ 日 出版的《 物理评论快报》 长期 以来 ， 上． 如何进一步 提高整数求阶量子算法的成功概率一直是整数分 解问题量子算法研究 的难点．０ 年 ， ２１ １ 付向群等人 基于量子 Ｆｕｉ 变换给出了一个新的整数分解量 ｏｒ ｒ ｅ 子算 法 ， 过 利 用 多 次量 子 Ｆ ｕｉ 变 换 和 变 量 代 通 ｏｒｒ ｅ 换， 使得 ｒ 变成相位因子（ 是从模 Ｎ整数环 中所 ｒ 选元素的阶） 进而可使非零的非 目标态 的几率幅 ， 变为零 ， 算法成功 的概率大于 ３４ 高于 Ｓ ｏ 整数 ／， ｈｒ 分解量子算法 ， 且不再依赖于 ｒ 的大小． 从 Ｓｏ 算法 中 ， 们可 以看 出量子 算 法 的共 ｈｒ 我 性： 量子计算是用量子比特来代表信息 ， 用量子力 学理论来描述有关信息表示 和信息处理 的所有问 题． 中信息的演变遵从薛定谔方程 ， 其 信息的提取 是对量子系统的量子状态进行测量坍塌的结果 ， 信 息计算和信息处理是量子比特的一系列么正变换．
一
不展示了量子计算与ຫໍສະໝຸດ 典计算相 比所具有 的显 著 优越 性 ．
一
１ 整数 分解量 子算 法
１９ ９４年， Ｓｏ 提出了一个在多项式时间 Ｐｗ ｈｒ 内求解整数分解问题 和有 限域上离散对数问题 的 量子计算算法 ， 它在密码学上的重要意义是 ： 利用 该算法可以在多项式时间内成功破译 Ｒ Ａ公钥密 Ｓ 码 系统 ， Ｃ Ｅ Ｃ公钥 密码 体 系和 Ｄ ｆ —Ｈ ｌ ａ ｉ ｅ ｅｍ ｎ密 ｆ ｉ ｌ
量子力学中的进展

量子力学中的进展

量子力学中的进展量子力学作为物理学中的一门重要学科，一直受到科学家们的关注和研究。

随着科技的不断发展，量子力学也在不断进步和发展，本文主要介绍量子力学中的最新进展。

一、量子计算量子计算是量子力学中的一个热门研究领域。

相对于经典计算机，量子计算机可以在更短的时间内解决一些复杂的问题。

最近，加拿大的一家公司D-Wave Systems推出了一款量子计算机D-Wave 2000Q，成为迄今为止最强大的量子计算机。

D-Wave 2000Q采用了量子随机行走算法，可以进行类似于人工智能的深度学习，能够在更短的时间内识别图像和语音。

未来，量子计算机将成为解决一些复杂问题的重要工具，如气候变化模拟、药物研究和金融分析等。

二、量子通信量子通信是基于量子力学的安全通信方式。

由于量子态的特殊性质，任何对量子态的测量都会改变量子态本身，因此量子通信具有非常高的安全性。

近年来，量子通信也得到了重大进展。

中国的量子卫星“墨子号”成功地实现了全球范围内的随机数分发和秘钥分发，标志着实现超远距离量子通信的理论研究和实验验证都迈出了重要一步。

未来，量子通信将广泛应用于银行金融、政府机构、军事通信、互联网数据传输等领域，帮助人们更加安全地进行通信和交流。

三、量子仿真量子仿真是模拟量子系统行为的过程。

传统的计算无法处理大型的量子系统，但是量子计算机对于这种系统的仿真研究具有极高的效率和精度。

最近，一项新研究证明了量子计算机可以用于解决复杂的化学问题。

在这项研究中，科学家们使用了D-Wave 2000Q计算机，成功地解决了关于苯的氧化反应的复杂问题。

这一成果有望为未来的医学研究提供帮助，通过计算机的精确模拟，可以更准确地探索新的药物设计。

四、量子隐形传态量子隐形传态是指通过量子纠缠的特殊性质，使得量子信息在两个不相连的地方之间传递。

随着量子力学的研究，科学家们也取得了重大进展。

最新的研究成果表明，量子隐形传态也可以实现在液体之间的传递。