【正文】 在這里存在著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遵循著眾所周知的經(jīng)典物理規(guī)律，而量子計(jì)算機(jī)則是遵循著獨(dú)一無(wú)二的量子動(dòng)力學(xué)規(guī)律（特別是量子干涉）來(lái)實(shí)現(xiàn)一種信息處理的新模式。但是令人驚奇的是，現(xiàn)在放在我們面前的高速現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)和它龐大的重達(dá)30噸的祖先并沒(méi)有什么本質(zhì)的區(qū)別，而那臺(tái)龐大的機(jī)器是由18000個(gè)真空管和 500米的電線構(gòu)成的！盡管計(jì)算機(jī)已經(jīng)變的更加小巧而且一般來(lái)說(shuō)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)已經(jīng)快的多，但是計(jì)算機(jī)的任務(wù)卻并沒(méi)有改變：把二進(jìn)制位（0和1）的編碼處理并解釋為計(jì)算結(jié)果。1960年代英特爾創(chuàng)辦人之一的摩爾（Gordon Moore），提出電腦芯片上電晶體數(shù)目以每十八個(gè)月的速度成長(zhǎng)一倍的經(jīng)驗(yàn)法則，即所謂的摩爾定律?？茖W(xué)技術(shù)的奠基，非一朝一夕可竟其功，長(zhǎng)期的規(guī)劃與推動(dòng)，持續(xù)不斷的耕耘，才是發(fā)展科技的不二法門(mén)。亞洲的日本，目前已知的研究單位有日本電氣公司（NEC）與日本電信電話公司（NTT），大學(xué)研究機(jī)構(gòu)有玉川大學(xué)量子通信研究部門(mén)；韓國(guó)則有漢城大學(xué)從事相關(guān)研究。在歐洲，至少有二十個(gè)國(guó)家參與量子信息的研究，一九九九年有二十個(gè)大型計(jì)劃發(fā)表，例如：因斯布魯克（Innsbruck）、羅馬、日內(nèi)瓦大學(xué)，他們對(duì)于瞬間傳輸與長(zhǎng)距離安全通訊已有重要的成果。：一般而言，光子被原子吸收后，所攜帶的信息也隨之消失，但是如果將光信息以原子自旋波的形式存貯在具同調(diào)／相干性（coherence）的原子氣體中，信息將可以被保存，爾后再可逆地轉(zhuǎn)換為原本的光脈沖。：在量子電動(dòng)共振腔中產(chǎn)生單一原子、離子與單方式電磁場(chǎng)的強(qiáng)耦合現(xiàn)象，此耦合作用可以做為離子與單方式電磁場(chǎng)間的量子邏輯閘，憑藉光學(xué)腔與光纖可以轉(zhuǎn)換及分離離子間的量子信息，進(jìn)一步進(jìn)行量子編碼與資料處理的工作。假定小英與小明分享一對(duì)糾纏態(tài)量子位，將小英持有的一個(gè)糾纏態(tài)位制備到她的未知量子位態(tài)（信息態(tài)），形成一個(gè)特定量子疊加態(tài)，對(duì)此疊加態(tài)經(jīng)由特定的轉(zhuǎn)換及量測(cè)后，量測(cè)到的部分以古典位傳送給小明，小明再利用得來(lái)的信息做為依據(jù)，對(duì)其持有的量子位選擇一種特定的么正轉(zhuǎn)換，就可得到小英欲傳達(dá)的量子信息態(tài)。以量子高密度加密為例：假如小英與小明兩人分享一對(duì)量子糾纏位，小英對(duì)自己持有的糾纏位，可以有四種選擇來(lái)進(jìn)行么正轉(zhuǎn)換，當(dāng)她選擇其中一種后，只需傳遞一個(gè)量子位給小明，小明再逐步進(jìn)行兩種么正轉(zhuǎn)換，便可完成兩者的信息溝通。傳統(tǒng)上要破解DES大約要嘗試256/2 = 255約3萬(wàn)6,000兆次，才能找到一把正確的加密鑰匙，假定每秒能夠?qū)ふ?0億次，所需時(shí)間也將超過(guò)一年，但是利用GSA演算法大約只要花二億一千萬(wàn)次就能找到加密鑰匙進(jìn)而取得原始信息。T貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家葛羅佛，提出一種在雜亂資料庫(kù)中搜尋特定資料的方法，稱為葛羅佛搜尋算則（grover search algorithm, GSA）。修爾針對(duì)質(zhì)因數(shù)分解的問(wèn)題，提出了第一個(gè)量子演算法，其演算步驟為一系列的么正算符經(jīng)由可逆平行運(yùn)算，使得構(gòu)成疊加的本徵狀態(tài)互相糾纏干涉，在計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)較大概率振幅的狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)最后所量測(cè)到的答案。量子演算法所謂演算法，是將解題的過(guò)程分解成有限個(gè)步驟的機(jī)械過(guò)程。作用在量子位上的邏輯運(yùn)算是一系列的么正轉(zhuǎn)換，何謂么正？就是「把一個(gè)狀態(tài)從過(guò)去帶到未來(lái)的轉(zhuǎn)換矩陣，必須符合總概率固定的條件」。在量子信息方面，威斯納（S. Wiesner）于1960年代末提出量子貨幣的構(gòu)想，啟發(fā)了貝內(nèi)特（Charles Bennett）與布拉薩德（Gilles Brassard）于1989年利用一系列偏振光子做為傳輸與加密信息的工具。量子電腦的構(gòu)想始于一九八○年代初期，當(dāng)時(shí)貝尼奧夫（Paul Benioff）提出一臺(tái)杜林機(jī)原則上可以用量子力學(xué)的方式來(lái)操作的原理；費(fèi)曼（Richard Feynman, 19181988）則認(rèn)為杜林機(jī)無(wú)法有效完整地模擬量子力學(xué)，并更進(jìn)一步提出基于可逆計(jì)算的量子電腦模型；之后杜奇（David Deutsch）提出第一個(gè)通用量子杜林機(jī)與量子平行理論的模型。傳統(tǒng)電腦信息利用0與1做為代表信息的基本單位，在實(shí)際操作上則以電流在邏輯閘上的流通與否，來(lái)完成各種邏輯運(yùn)算。雖然這類(lèi)奈米級(jí)電腦在物理上受控于量子力學(xué)，但資料的處理仍建構(gòu)在傳統(tǒng)的信息理論上。但在1970年代中期興起的隨機(jī)演算法，證明此論點(diǎn)有一些問(wèn)題，因?yàn)椴o(wú)法經(jīng)由杜林機(jī)以有效步驟的演算法來(lái)完成，這迫使我們必須修正邱奇 杜林論點(diǎn)。 2007/9/14 被 g950g950 最后編輯 | 查看全部g950g950 (組長(zhǎng)) 2007/9/11 5樓 舉報(bào) 傳統(tǒng)信息科學(xué)的困境1948年，夏農(nóng)（Claude Shannon, 19162001）發(fā)表了兩篇奠定現(xiàn)代信息與通訊理論的論文。與此要求相抗衡的是在某些限制下，開(kāi)閉的時(shí)間可隨著功率的增加而減少。一般是希望開(kāi)閉元件消耗功率越低越好。銻化銦的能隙很小，而且隨著溫度的上升而變小。如果薄片上的每一個(gè)小面積都可做為光學(xué)開(kāi)閉元件（兩個(gè)狀態(tài)或多狀態(tài)），一個(gè)影像直接投射在薄片上，則透射的光可做為影像的數(shù)位紀(jì)錄?？蓴y帶龐大數(shù)量信息的光學(xué)纖維正與日俱增，包括計(jì)算器間的通訊。其中一種是用超過(guò)兩個(gè)邏輯狀態(tài)的元件。如果這五路光束是自一個(gè)相同的信號(hào)源出來(lái)，那么這個(gè)信號(hào)可同時(shí)接受不同的運(yùn)算。光學(xué)開(kāi)閉元件所具有的性質(zhì)也能用來(lái)做新的計(jì)算器設(shè)計(jì)。導(dǎo)波管在原理上可做為連接光學(xué)積體線路的元件，雖然光學(xué)積體線路還沒(méi)有被嘗試制造過(guò)。如果兩光束中只要一條單獨(dú)的光束就足以產(chǎn)生狀態(tài)的交換，這就是「或閘」了。雖然無(wú)法直接測(cè)量時(shí)間，但間接的證據(jù)顯示它只要幾個(gè)1012秒。變束的強(qiáng)度是當(dāng)它加上常束時(shí)，可以到達(dá)高峰的區(qū)域（見(jiàn)圖七）。這種曲線形狀像是描述電晶體集極電流的曲線。對(duì)一個(gè)用來(lái)處理信號(hào)而非記憶信號(hào)的光學(xué)開(kāi)閉元件，遲滯現(xiàn)象的那部分是不需要的。光吸收作用又開(kāi)始變得可能，且折射率也回到它原來(lái)的值［見(jiàn)圖五(d)］。阻止吸收的發(fā)生，同時(shí)也阻止了折射的發(fā)生，于是改變了折射率。一旦電子進(jìn)入導(dǎo)帶的較低能階，晶格中的熱能就會(huì)把它們散射至附近的能階，其結(jié)果是電子在導(dǎo)帶附近呈不規(guī)則的分布(見(jiàn)圖五c )。雖然狹窄的能隙是必要的，但如過(guò)分狹窄則會(huì)使光學(xué)開(kāi)閉元件變得不切實(shí)際。大部分的其他半導(dǎo)體的能隙都比這大了很多。如果提高的電子再回到價(jià)帶，與電洞重合，則電洞會(huì)消失見(jiàn)(圖五a、b )。然而，這是一件不太可能的事情。金屬有部分填滿的能帶。每一「容許能帶」是由許多的能階組成。電磁輻射與固體的交互作用是藉著電子為媒介。在某些情形下，晶體的前后均覆上一層反射物質(zhì)做為鏡子，但覆蓋反射物質(zhì)并非必要，因晶體光滑的面就能做為鏡子。像大部分的半導(dǎo)體一樣，銻化銦對(duì)可見(jiàn)光是不透明的，但對(duì)某些波長(zhǎng)的紅外線是「透明」的。光學(xué)雙穩(wěn)元件光學(xué)雙穩(wěn)性質(zhì)是由索克（A. Szoke）及他的同事于1969年于麻省理工學(xué)院所預(yù)測(cè)，而由貝爾實(shí)驗(yàn)室的吉布士（H. M. Gibbs）等人于1976年首先觀察到。這樣的一個(gè)循環(huán)圖形叫「遲滯曲線」（hysteresis cycle）。在入射光強(qiáng)度達(dá)某一臨界值時(shí)，「洞」中的反饋?zhàn)饔瞄_(kāi)始顯著，而Airy函數(shù)圖上的高峰很快的就到達(dá)，透射率很快地變到最高，即入射強(qiáng)度與透射強(qiáng)度比是1。鐳射光強(qiáng)度漸漸增加則折射率及「光學(xué)長(zhǎng)度」?jié)u漸改變，透射率也慢慢增加（見(jiàn)圖四）。在「洞」中使用非線性折射的物質(zhì)，折射率可隨著入射光強(qiáng)度而改變。馬克士威在關(guān)于電磁輻射的著作中，假定折射現(xiàn)象及其他光與物質(zhì)的交互作用不受輻射強(qiáng)度的影響。在兩高峰間的函數(shù)值相當(dāng)?shù)?，且變化非常緩慢。?dāng)然有許多可能的「光學(xué)長(zhǎng)度」可以產(chǎn)生完全建設(shè)性干涉。適當(dāng)選擇材料折射率，「洞」中光束可以形成建設(shè)性或破壞性干涉。折射現(xiàn)象是大家所熟悉的。如果是完全建設(shè)性干涉，則洞中光強(qiáng)度將十倍于入射光。波峰對(duì)波峰、波谷對(duì)波谷的重疊是建設(shè)性干涉，波峰對(duì)波谷的重疊是破壞性干涉，自然在那兩極端之間的相位差也是可能的。在真正的干涉計(jì)中，它們彼此互相作用，影響「洞」中的光強(qiáng)度，也影響透射率。由于「前進(jìn)光束」是原入射光束的1/10，故透射到后鏡外的光強(qiáng)度是原入射光束的1/100。（這樣的比例相當(dāng)接近于我們所真正使用的。［此一空隙被稱為「洞」（cavity）］。這個(gè)設(shè)計(jì)可在兩個(gè)明顯的輸出狀態(tài)間交換。目前這極限已經(jīng)達(dá)到了，因此交換時(shí)間顯著的降低，將不會(huì)來(lái)自電晶體設(shè)計(jì)上的微小改變，而將來(lái)自新的交換技術(shù)。以物理學(xué)做基本分析，目前所能達(dá)到的最短交換時(shí)間，已接近半導(dǎo)體所能達(dá)到的極限了。輸入大電流，「反閘」輸出小電流；輸入小電流，「反閘」輸出大電流。集極的大電流可用以代表1而小電流代表0。1947 年發(fā)明的電晶體，提供了較小、較快、較有效率的開(kāi)閉元件。如果計(jì)算器要快，則狀態(tài)交換的時(shí)間要短。在「反」函數(shù)中，一個(gè)敘述的「真假值」被掉換。用二進(jìn)位系統(tǒng)，一計(jì)算器用來(lái)判斷命題真?zhèn)?，只用三個(gè)「邏輯函數(shù)」。這些全都是由含有兩個(gè)穩(wěn)定輸出狀態(tài)的元件所達(dá)成。在HeriotWatt大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)栽囼?yàn)的形式證明許多需要的元件可制成光學(xué)積體線路。更有甚者，隨著入射光束的逐漸增加，這種晶體的輸出可以被轉(zhuǎn)換至更多高階的狀態(tài)。藉著正確地選擇晶體及鐳射波長(zhǎng)，利用折射率的改變，透射光強(qiáng)度會(huì)因入射光的微小改變而有巨大改變的元件可以被制造出來(lái)。事實(shí)上電子計(jì)算器所有的開(kāi)閉元件都是電晶體，而現(xiàn)在所用的電晶體最快的也無(wú)法在快于109秒內(nèi)改變狀態(tài)。自1970年代中期，以鐳射光束來(lái)代替電流傳遞信號(hào)的可能性日趨厚厚。大家的共同努力將繼續(xù)在實(shí)際應(yīng)用里使用的量子小圓點(diǎn)的數(shù)量直到被發(fā)現(xiàn)成功為止，美國(guó)在這項(xiàng)工程提供資金方面大約每年花費(fèi)800，000美金。調(diào)查研究工作被展開(kāi)并且分布在不同的場(chǎng)所。 研究人員目前正著手做這項(xiàng)技術(shù)的將來(lái)的用途。用來(lái)接通光門(mén)(qubit)的能量是1018焦耳。這種特別的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是他是用非常廉價(jià)的二極管激光用來(lái)作光源。這有點(diǎn)象是factorization號(hào)碼或者數(shù)列對(duì)查找。 過(guò)程與相干光的極其短的脈搏有關(guān)、被發(fā)出并且與東西相互作用的量子小圓點(diǎn)。剩下的像幾秒鐘就可以破解一般電腦算到死的密碼啦、同時(shí)多重運(yùn)算啦的優(yōu)點(diǎn)我們就省略了。：量子理論指出物理世界是不可約地隨機(jī)的。在這種情況下這個(gè)量子態(tài)就編碼成了一個(gè)量子位元，而它在實(shí)驗(yàn)上并不同於一簡(jiǎn)單的硬幣投擲。光強(qiáng)決定了光束中光子的數(shù)目。但是檢驗(yàn)因子分解是否正確要比尋找質(zhì)數(shù)因子容易的多。電力所指的方向稱為(光)波的偏振。它不能為古典牛頓物理學(xué)所預(yù)言，只是量子世界的一個(gè)新特性。這一理論使我們得以計(jì)算一個(gè)給定觀察的概率。這是第一篇揭示量子糾纏奇妙性質(zhì)的論文。疊加原理是量子理論的一個(gè)基本特徵也是費(fèi)曼規(guī)則的另一種表述形式。：1996年12月16號(hào)英特爾(Intel)公司與美國(guó)能源部(DOE)聯(lián)合，宣布他們新近建成一臺(tái)「超級(jí)電腦」。不確定性原理暗示著不可能將系統(tǒng)制備到一個(gè)使得所有可能的測(cè)量結(jié)果都確定的狀態(tài)上。然而由於量子態(tài)對(duì)應(yīng)的概率幅可正可負(fù)，使得可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的數(shù)目增加了一倍。：優(yōu)點(diǎn)為受干擾小實(shí)驗(yàn)可在室溫下進(jìn)行；對(duì)於多量子位存在理論上的困難。三種主要實(shí)驗(yàn)方法比較介紹的三種實(shí)驗(yàn)方法各具特點(diǎn)(見(jiàn)表一)但共同的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量量子位，因此它們只能用來(lái)進(jìn)行一些元理性的研究，而不能作為建造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。：離子阱方法用束縛在冷阱中離子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)作為量子位，用兩束頻率相差很小的激光誘導(dǎo)拉曼躍遷來(lái)控制量子位的狀態(tài)，調(diào)節(jié)激光的作用時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單量子位態(tài)的任意旋轉(zhuǎn)操作，離子通過(guò)相互間的庫(kù)倫力耦合而成集體震動(dòng)，不同的振動(dòng)模式用不同的聲子態(tài)來(lái)表示，激光作用時(shí)與離子水平振動(dòng)方向有個(gè)夾角，這樣激光的作用能同時(shí)影響離子內(nèi)部的能級(jí)和外部的集體振動(dòng)，從而使兩者耦合起來(lái)，通過(guò)離子的水平集體聲子振動(dòng)，量子位之間實(shí)現(xiàn)了糾纏，離子阱方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接實(shí)現(xiàn)多控制位非門(mén)(contronlnot)操作而不必用單量子位門(mén)和CNOT門(mén)去組合。隱形傳態(tài)表明了當(dāng)我們希望發(fā)送量子位元訊息而不是一般的位元訊息時(shí)，糾纏粒子可用來(lái)作為一個(gè)非常有用的通訊源(munication resource)。同所有的量子方案一樣，這一方案也是利用了量子隨機(jī)性的奇異特性。在這里量子糾纏描述了對(duì)兩個(gè)粒子實(shí)施局預(yù)測(cè)量(local measurement)其結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)并不能由通常的概率理論來(lái)解釋?zhuān)欢鴮?duì)大糾纏態(tài)而言對(duì)其實(shí)施的局域測(cè)量其結(jié)果是完全隨機(jī)的。這隱含著如果我們制備了一大批處?kù)断嗤瑧B(tài)的粒子，這個(gè)狀態(tài)有著精確的位置但我們不是去測(cè)量位置而是測(cè)量動(dòng)量，那麼我們就會(huì)得到一大串不同的數(shù)據(jù)相反地也是如此。但是量子理論的一個(gè)重要理論是：對(duì)於單個(gè)粒子，不存在著在這個(gè)狀態(tài)中的粒子有著精確的動(dòng)量值同時(shí)又有著精確的位置。這聽(tīng)起來(lái)并不奇怪，而這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象也引發(fā)了量子糾纏及其特殊作用隱形傳送(teleporting)，稍後再做介紹。例如：測(cè)量每一個(gè)粒子的動(dòng)量或者測(cè)量一個(gè)粒子的動(dòng)量而測(cè)量另外一個(gè)粒子的位置。正是在這種糾纏系統(tǒng)中，量子理論關(guān)於實(shí)在的觀點(diǎn)所表現(xiàn)出來(lái)的具有真正革命性的特徵變的越發(fā)明顯。這三位學(xué)者發(fā)表了一篇已為現(xiàn)代人所熟知的題為EPR的論文。我們有兩個(gè)概率幅(1/2,1/2)和(1/2,1/2)。很顯然的隱變數(shù)這種說(shuō)法是不正確的。我們稍稍移動(dòng)上方的反射鏡來(lái)調(diào)整光學(xué)儀器內(nèi)部的路徑長(zhǎng)度，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鏡子的位置，可以使得僅有L探測(cè)器能夠紀(jì)錄到光強(qiáng)，反之亦可使只有U探測(cè)器能紀(jì)錄到光強(qiáng)，關(guān)於這一點(diǎn)光的波動(dòng)理論很容易透過(guò)干涉效應(yīng)來(lái)解釋這些現(xiàn)象，干涉是波動(dòng)的本質(zhì)特性，但是如果光是粒子的話我們能否對(duì)這一現(xiàn)象做出合理的解釋呢？通常我們毋須這樣做，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所采取的光都很強(qiáng)，以致根本不必去探測(cè)單個(gè)光子，雖然不必去探測(cè)單個(gè)光子，但是我們可以使用單個(gè)光子來(lái)做實(shí)驗(yàn)。假定我們讓一束光連續(xù)第通過(guò)兩個(gè)分束器如圖二所示。也許你可能會(huì)認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)更多地去了解關(guān)於光子和分束器的情況，以便能預(yù)言單個(gè)光子的確切路徑。為了解釋這一實(shí)驗(yàn)，我們提出的觀點(diǎn)是：當(dāng)單個(gè)光子遇到分束器的時(shí)候，它將以相等的概率被反射或透射(這里我們假定了分束器并不吸收光子)。在單光子水準(zhǔn)亦即在任何一個(gè)給定的時(shí)間間隔內(nèi)，我們至多只能紀(jì)錄到一個(gè)光子，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果：我們根本紀(jì)錄不到光子或者只有在U探測(cè)器上紀(jì)錄到一個(gè)光子而L探測(cè)器上沒(méi)有或者相反。但它的關(guān)鍵在於量子隨機(jī)