【文章內(nèi)容簡介】 二篇：學科前沿講座學科前沿講座專業(yè)班級： 光信133_姓 名： 朱家興_學 號： _10134425__任課教師： 張國營2016年 11月 11 日量子計算與量子計算機【摘要】量子計算的強大運算能力使得量子計算機具有廣闊的應用前景。該文簡要介紹了量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計算機的優(yōu)越性，最后預測了量子計算及量子計算機的應用方向。【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理 在人類剛剛跨入21世紀的時刻！科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗【1】。它預示著人類的信息處理技術(shù)將會再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術(shù)已成為一項十分緊迫的任務。任何計算裝置都是一個物理系統(tǒng)。量子計算機足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計算任務的裝置【2】。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉(zhuǎn)移過程）時將會吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產(chǎn)生了一個相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨特的性質(zhì)為量了計算的優(yōu)越性提供了基礎。量子計算機，首先是能實現(xiàn)量子計算的機器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統(tǒng)，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息【3】。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉(zhuǎn)動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術(shù)來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現(xiàn)。單量子位算符實現(xiàn)一個量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發(fā)生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經(jīng)典計算。經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)【4】。經(jīng)典計算機具有如下特點：a其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學量的本征態(tài)。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110。所有的輸入態(tài)均相互正交。對經(jīng)典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110+C2I1001001。b經(jīng)典計算機內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個性質(zhì)，因此，經(jīng)典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。相應于經(jīng)典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：c量子計算機的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；d量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結(jié)果。由此可見，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，經(jīng)典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結(jié)果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經(jīng)典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優(yōu)越性之一。自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計算方法的計算處理方面，同時智能計算向來是算法研究的熱門領域，研究表明，二者的結(jié)合可以取得很大的突破，即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足【5】。目前已有的量子智能計算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡，量子進化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡算法和量子進化算法已經(jīng)成為目前學術(shù)研究領域的熱點，并且取得了相當不錯的成績，下面將以量子進化算法為例。量子進化算法是進化算法與量子計算的理論結(jié)合的產(chǎn)物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標記染色體，使得一個染色體可以攜帶大數(shù)量的信息。同時通過量子門的旋轉(zhuǎn)角度表示染色體的更新操作，提高計算的全局搜索能力。目前量子進化算法已經(jīng)應用于許多領域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發(fā)展，量子進化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。在經(jīng)典物理學中，物質(zhì)在確定的時刻僅有確定的一個狀態(tài)。量子力學則不同，物質(zhì)會同時處于不同的量子態(tài)上。因為處于疊加態(tài)，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數(shù)（從0到1023被同時處理一遍）【6】。以此類推，量子計算的速度與量子比特數(shù)是2的指數(shù)增長關系。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=***709551616個數(shù)。如果單次運算速度達