【正文】 在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單元（叫做一個(gè)量子位或者qubit，也叫做昆比特）不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，并不是二進(jìn)制位而是按照性質(zhì)四個(gè)一組組成的單元。例如：包含n個(gè)字符并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)硬盤上的文件是通過一串共8n個(gè)0和1描述實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)位都是一個(gè)基本的信息單元，傳統(tǒng)上在數(shù)字計(jì)算機(jī)中用0和1代表。 2007/9/14 被 g950g950 最后編輯 | 查看全部g950g950 (組長(zhǎng)) 2007/9/11 6樓 舉報(bào) 第一課 量子計(jì)算機(jī)概論？我們目前所使用的計(jì)算機(jī)，代表了近年來技術(shù)進(jìn)步的頂點(diǎn)，而這個(gè)技術(shù)進(jìn)步萌芽于Charles Babbage（17911871）的早期思想，并且以德國(guó)工程師Konrad Zuse于1941年創(chuàng)造出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)為開端。按照這種趨勢(shì)發(fā)展，2020年左右我們將在原子的尺度下進(jìn)行一個(gè)位的資料處理，難道說這就是計(jì)算器發(fā)展的終點(diǎn)嗎？當(dāng)然不是，因?yàn)槲覀冊(cè)?020年之前已開啟了量子信息與計(jì)算理論的研究。但另一方面，也還有許多尚待克服的問題等著我們?nèi)ヌ魬?zhàn)，如實(shí)驗(yàn)上相干性消失問題，以及理論上對(duì)量子糾纏態(tài)的了解與應(yīng)用等問題。經(jīng)由量子計(jì)算與量子信息理論，讓我們?cè)诹孔恿W(xué)的基礎(chǔ)上，以物理方式重新思考計(jì)算與資料處理的真正基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及背后深刻的內(nèi)涵，同時(shí)也引領(lǐng)我們以新興的計(jì)算方式來研究各種科學(xué)問題。如果只著眼于眼前熱門的科技，而忽略了量子信息與計(jì)算這種深具前瞻性與潛力的研究，勢(shì)必會(huì)在科技發(fā)展上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于他國(guó)。中國(guó)大陸方面近期非常積極投入量子信息這個(gè)領(lǐng)域，尤其在演算法、量子糾纏態(tài)與量子密碼論的研究上，成立了多個(gè)量子信息與計(jì)算研究機(jī)構(gòu)，如中國(guó)科技大學(xué)的量子通信與量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、教育部量子信息與量測(cè)重點(diǎn)研究室，原子、分子與奈米科學(xué)中心的量子信息研究，此外北京、清華大學(xué)亦聯(lián)合成立量子信息與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。另外惠普（HP）、IBM、微軟與貝爾實(shí)驗(yàn)室等私人研究機(jī)構(gòu)與公司，在研究上也有驚人表現(xiàn)，例如惠普的研究員最近發(fā)表有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)與獲利的量子演算法。在美國(guó)，大型的國(guó)防與安全機(jī)構(gòu)如陸軍研究處、美國(guó)國(guó)家安全協(xié)會(huì)、NASA、國(guó)防研究計(jì)劃局等，每年用在量子計(jì)算與量子信息的經(jīng)費(fèi)約有一億五千萬美元。各國(guó)的發(fā)展概況量子計(jì)算與信息發(fā)展至今約二十年，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，目前已有不少成果，各國(guó)也都非常重視量子計(jì)算與信息的研究，進(jìn)行重點(diǎn)研究計(jì)劃的國(guó)家包括美國(guó)、歐洲各國(guó)、日本、韓國(guó)及中國(guó)大陸。實(shí)驗(yàn)做法是將調(diào)控鐳射打入特定的原子（如銣原子）蒸氣中，讓原子蒸氣與鐳射產(chǎn)生電磁致透明狀態(tài)，此狀態(tài)讓原子不再破壞光信息，此時(shí)將光脈沖打入原子氣體即可保存信息，當(dāng)系統(tǒng)受到適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)，信息就可被讀出。利用這種作用可以做為量子邏輯運(yùn)算閘，而運(yùn)算結(jié)果可由自旋態(tài)改變所放出的無線電訊號(hào)量得。：在核磁共振量子電腦中分子成為運(yùn)算的基本單元，將分子液體裝在封閉試管內(nèi)，此液體所含的分子數(shù)約為1018，每一分子中的原子核具有個(gè)別的自旋態(tài)，可以做為量子位的兩個(gè)狀態(tài)。目前研究者正努力克服以上的問題，實(shí)驗(yàn)上也不斷有一些重要的突破，以下將概述幾種目前實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算與信息的基本方法。量子電腦的實(shí)現(xiàn)量子信息與計(jì)算是一個(gè)嶄新且重要的領(lǐng)域，它代表下一世代資料處理的方法，然而目前的技術(shù)距普遍運(yùn)用的階段，尚有相當(dāng)大的距離，仍有許多問題等待克服。當(dāng)小英要將一個(gè)具有特定狀態(tài)的量子位傳達(dá)給小明時(shí)，如果小英已經(jīng)知道這個(gè)位狀態(tài)，她只需藉由傳遞古典位給小明即可，但如果她對(duì)此位狀態(tài)未知，那么小英該如何做呢？一九九三年貝內(nèi)特等人對(duì)此提出「?jìng)鬟_(dá)量子信息（量子態(tài)），而不需要傳遞量子位」的構(gòu)想。假若用傳統(tǒng)信息傳遞方式，四種選擇必須用到兩個(gè)古典位來代表并傳送，則在同樣位數(shù)目下，運(yùn)用量子效應(yīng)方式所傳送的信息量大于以傳統(tǒng)信息傳遞的方式，亦即可達(dá)到高密度加密的作用。假設(shè)有一對(duì)量子糾纏原子，即使它們分隔在宇宙遙遠(yuǎn)的兩端，當(dāng)其中一個(gè)被推了一下，則另一個(gè)也會(huì)有相對(duì)應(yīng)的感受；正因?yàn)槿绱似嫣氐男再|(zhì)，量子糾纏態(tài)的應(yīng)用已成為量子信息的基礎(chǔ)。近年來也有研究人員利用GSA探討DNA復(fù)制與蛋白質(zhì)合成的精確性，利用鹼基配對(duì)的確認(rèn)，說明四種含氮鹼基與二十種胺基酸數(shù)目間的關(guān)系，且發(fā)現(xiàn)DNA似乎是能夠完成量子搜自導(dǎo)引量子硬件，也指出酵素扮演了維持搜尋過程相干性的角色。利用GSA這種構(gòu)想，我們可以快速解決56位標(biāo)準(zhǔn)加密（data encryption standard, DES）的問題，其原理是：我們將原始信息轉(zhuǎn)譯成位字串，并與56位加密鑰匙一并進(jìn)行加密信息的編碼程序，加密鑰匙定義了編碼程序的細(xì)節(jié)，故只要得到加密鑰匙就能進(jìn)行解碼，進(jìn)而得到原始信息。它是以重復(fù)操控一系列特定的么正算符運(yùn)算，將目標(biāo)物的概率振幅提高至1，使得我們?cè)诹繙y(cè)之后能順利得到目標(biāo)物，利用此種特定的么正算符演算法可以加速搜自導(dǎo)引速度。繼修爾之后，同為美國(guó)ATamp。應(yīng)用此種量子演算法，分解一個(gè)n位整數(shù)，只需要約n2個(gè)步驟即可，亦即把NP類問題變成P類問題。另一方面，量子演算法運(yùn)用量子力學(xué)中的量子干涉、量子疊加態(tài)、量子糾纏等性質(zhì)，以概率的型態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，得出的結(jié)果將是所有可能狀態(tài)同時(shí)存在，不同于傳統(tǒng)演算法的單一狀態(tài)結(jié)果，這些可能狀態(tài)各以不同概率振幅構(gòu)成一個(gè)疊加態(tài)，并經(jīng)由量測(cè)后得出最后答案。若以運(yùn)算步驟的多寡將問題分類，則對(duì)一個(gè)n位的正整數(shù)進(jìn)行因數(shù)分解時(shí)，用傳統(tǒng)演算法處理約需要exp(n1/3)個(gè)步驟來完成，這種隨輸入變數(shù)n的增加，演算步驟呈指數(shù)型態(tài)驟增的問題，稱為NP（nondeterministic polynomial）類問題，而演算步驟可以在多項(xiàng)式步驟內(nèi)完成者，則稱為P（polynomial）類問題。但是實(shí)驗(yàn)上的設(shè)計(jì)往往很難理想地實(shí)現(xiàn)所希望的邏輯運(yùn)算，例如：我們雖然可以利用一量子簡(jiǎn)諧振蕩子的物理系統(tǒng)（粒子于拋物線勢(shì)能中的運(yùn)動(dòng)），完成控制[color=red]非（controlledNOT，CNOT）閘的運(yùn)算，但因?yàn)榇讼到y(tǒng)類似于一種多能階系統(tǒng)，系統(tǒng)能量比二能階系統(tǒng)來得大，同時(shí)易受噪音干擾，使得這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)無法成為理想的量子邏輯閘。在實(shí)際運(yùn)算上我們需要藉助邏輯運(yùn)算閘，選定物理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，以完成我們?cè)凇高壿嬌稀瓜胍瓿傻挠?jì)算任務(wù)。量子邏輯運(yùn)算閘在數(shù)位資料處理中，把執(zhí)行運(yùn)算的基本單元加以組合，以完成特定的計(jì)算工作，即為邏輯運(yùn)算閘，如及（AND）閘或非（NOT）閘.......等，而量子計(jì)算用來執(zhí)行運(yùn)算的單元稱為量子邏輯閘。1992年貝內(nèi)特與威斯納提出利用量子力學(xué)中的量子糾纏性質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)資料高密度加密的傳輸理論；次年，貝內(nèi)特等人提出「?jìng)鬟_(dá)量子信息，而不需要傳遞量子位」的量子隱形傳輸構(gòu)想。接著1996年葛羅佛（Lov Grover）亦發(fā)表快速搜尋資料的量子演算法，于是才真正引起科學(xué)家普遍的興趣及研究熱潮。然而這些論點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未獲得大家的重視，主要原因在于這些量子電腦的研究太過抽象，而且顯示它們運(yùn)算時(shí)容易受到外界的干擾而出錯(cuò)，且不易修正。此疊加態(tài)直到被量測(cè)破壞后才呈現(xiàn)出0或1的最終結(jié)果，至于兩者中何者會(huì)呈現(xiàn)，則完全由它們各自的概率振幅來決定，亦即概率振幅越大者，被量測(cè)到的機(jī)會(huì)越大。而量子信息的基本單位是量子位（qubit），藉由電子、原子的量子物理特性，把量子位用自旋1/2的電子，或是具有二能階的原子來代表。量子計(jì)算與信息發(fā)展史以下概述量子計(jì)算與信息發(fā)展過程中的重要發(fā)現(xiàn)，藉此可知科學(xué)家如何以量子力學(xué)的思維與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，重新詮釋電腦科學(xué)與信息理論。值得注意的是，奈米電腦的出現(xiàn)意味著傳統(tǒng)半導(dǎo)體制程技術(shù)已走到盡頭，現(xiàn)有的資料處理運(yùn)算原理亦將無法再往前邁進(jìn)，所以我們勢(shì)必要發(fā)展出一套更有效率的計(jì)算模型及理論，以超越傳統(tǒng)計(jì)算理論的極限。電晶體元件在這種奈米尺度之下（約十奈米），量子穿隧效應(yīng)將變得重要，我們必須有效地掌控這些效應(yīng)，才能完成各種邏輯運(yùn)算。基于此，我們或許會(huì)問，是否存在另一種我們未知的計(jì)算理論模型，不管在資料處理的效率、資料的壓縮、傳遞過程的安全性上，皆優(yōu)于傳統(tǒng)的信息理論呢？邱奇? 杜林論點(diǎn)出現(xiàn)后，馮紐曼（John Von Neumann, 19031957）接著提出如何以真實(shí)元件來建構(gòu)計(jì)算器模型的論點(diǎn)，在一九四六年美國(guó)賓州大學(xué)利用真空管實(shí)現(xiàn)全世界第一部數(shù)值計(jì)算器后，1947年巴?。↗ohn Bardeen, 19081991）等人發(fā)明了電晶體及1958年諾思（Robert Noyce, 19271990）發(fā)明了集成電路，藉由這些元件的運(yùn)用，制造技術(shù)更為精進(jìn)，使得計(jì)算器發(fā)展逐漸邁向新時(shí)代。杜林認(rèn)為，杜林機(jī)可以模擬所有可計(jì)算的演算法，亦即任何可計(jì)算演算法若能被硬件系統(tǒng)完成，則此演算法必對(duì)應(yīng)某一等價(jià)的杜林機(jī)演算法，這是將抽象的計(jì)算理論與實(shí)際物理系統(tǒng)相結(jié)合的基本理論，稱為邱奇? 杜林論點(diǎn)。在資料處理上，他提出「位（bit）」的觀念，利用無雜訊通路編碼定理測(cè)度信息存貯量；在通訊方面，則以雜訊通路編碼定理，來決定雜訊通道所能容許的信息傳輸量；并證明藉由修正錯(cuò)誤碼可保護(hù)信息不受干擾。雖然有這些不可避免的困難，我們認(rèn)為建造光算機(jī)是可實(shí)行且令人興奮的期望。建造開閉元件必須對(duì)功能的要求、元件的大小、交換的速度及功率、非線性材料的光學(xué)及熱性質(zhì)加以考慮。然而元件無法做得太小，因?yàn)殍D射光束可以聚集得多細(xì)是有限制的，同時(shí)尺寸太小，過熱變成了另一個(gè)問題。交換功率是入射光強(qiáng)度與晶體面積的乘積。適當(dāng)?shù)牟牧鲜墙ㄔ旃馑銠C(jī)的實(shí)際中心問題。利用10微米波長(zhǎng)的一氧化碳鐳射，我們已經(jīng)能在室溫進(jìn)行開閉了。在我們的研究中，曾有須在低溫操作的問題，如能在常溫操作將使光學(xué)計(jì)算器更具實(shí)用性。影像記錄下來之后，可做許多的影像處理。光學(xué)資料處理目前，晶體成長(zhǎng)及薄膜制造的技術(shù)使制造大而薄的片狀晶體成為可能。光學(xué)開閉元件自然是光學(xué)系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的媒介。因此這種光學(xué)元件不可只視為一個(gè)更快的代替者，相反的它的最大價(jià)值來自其他方法無法模擬的應(yīng)用。當(dāng)入射強(qiáng)度連續(xù)增加時(shí)，某些晶體可以產(chǎn)生更多階段的高透射率。光學(xué)開閉元件還可導(dǎo)致其他計(jì)算器設(shè)計(jì)與邏輯的修改。輸出的信號(hào)可聚合起來或保持分開地繼續(xù)被處理。如果有五條光線，適當(dāng)?shù)剡x擇強(qiáng)度，可個(gè)別進(jìn)行幾個(gè)不同的運(yùn)算，例如兩束可用做「及閘」，兩束用做「或閘」，一束以電晶體的方式工作（見圖八）。在一個(gè)單獨(dú)的電晶體上，好幾道電流無可避免的會(huì)互相作用混合，然而好幾道光束卻可通過同一個(gè)干涉計(jì)而保持分離。光學(xué)邏輯閘可以在一秒內(nèi)做一兆（1012）次的運(yùn)算。新的光學(xué)科技的一個(gè)應(yīng)用是建造一個(gè)與目前電子計(jì)算器結(jié)構(gòu)或邏輯組織相似的光算機(jī)。在1970年代，能傳導(dǎo)鐳射光的薄膜曾被深入地研究過。「反閘」是藉著以反射光束為輸出而建立，增加入射光強(qiáng)度則輸出少；減少入射光強(qiáng)度，則輸出多。如果所選擇的兩條光束── 兩者單獨(dú)的強(qiáng)度都不足以造成狀態(tài)的交換，但合起來的強(qiáng)度卻足以產(chǎn)生交換，這就是一個(gè)「反閘」了。一旦光學(xué)電晶體完成，下一步就是邏輯閘的組合了。像電晶體一樣，轉(zhuǎn)相器可以在兩個(gè)截然可分的狀態(tài)間交換且速度非?？臁＿@也與電晶體相似，常束像自射極流向集極的電流，變束像自基極流向集極的小電流。常束的強(qiáng)度要選擇在使它的透射強(qiáng)度恰在透射曲線高峰的下方。事實(shí)上這曲線是光學(xué)電晶體的基礎(chǔ)，我們稱這種元件為轉(zhuǎn)相器，因?yàn)樗牟僮魇腔诳刂乒饩€的相位。這個(gè)單值透射曲線是可調(diào)整的，一個(gè)最有用的形狀是：在入射強(qiáng)度低時(shí)，透射強(qiáng)度低，然后在一臨界點(diǎn)，透射強(qiáng)度陡升，達(dá)到一高透射強(qiáng)度，然后入射強(qiáng)度續(xù)繼增加時(shí)，保持不變。藉著改變干涉計(jì)的長(zhǎng)度、入射光波長(zhǎng)、「洞」中的材料，遲滯環(huán)可以變狹或消失（見圖六）。任一狀態(tài)都可由一適當(dāng)強(qiáng)度的光束無限期地維持著。光學(xué)邏輯閘上面所描述的遲滯曲線非常明顯地可應(yīng)用來做記憶元件。當(dāng)鐳射光關(guān)掉，原來被提高的電子很快的降回到價(jià)帶而與電洞結(jié)合。但，如何阻止光的被吸收呢？提高至導(dǎo)帶較低能階的電子數(shù)目是有限制的，當(dāng)這個(gè)限制一旦到達(dá)，恰好帶有提高所需能量的光子就不再被吸收。一束光被吸收，那么它就會(huì)被折射，反之亦然。導(dǎo)致銻化銦折射率改變的原因正是電子提高及隨之而來的散射。（106m），在我們所用的一氧化碳鐳射的范圍(見圖五b )。電子獲取所需能量以便提高進(jìn)入導(dǎo)帶的方法之一是吸收入射的電磁輻射（光）。砷化鎵是另外一種曾被用來做光學(xué)雙穩(wěn)元件的半導(dǎo)體。折射率的非線性是與能隙的平方值成反比。在這溫度下。電子越過能隙所需的能量隨溫度而變。當(dāng)電子自價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，在價(jià)帶會(huì)留下一個(gè)電洞，它類似于電子，但為帶有相等于正電荷的實(shí)體。半導(dǎo)體與絕緣體一樣，有一個(gè)全滿的價(jià)帶及全空的導(dǎo)帶，但兩帶的能隙卻少得多。在絕緣體中，一個(gè)電子只有吸收足夠的能量以越過寬大的能隙進(jìn)入導(dǎo)帶才有可能自由地移動(dòng)。絕緣體的能帶中，有電子填充而且能量最高的能帶──價(jià)帶（valence band），是完全被填滿的。如果一個(gè)能帶只有部分填滿，則一個(gè)得到額外能量的電子就能移動(dòng)到能帶中稍高的能階。如果每個(gè)「容許能帶J里的每個(gè)能階都被填滿，則在那能帶里面的每一個(gè)電子都會(huì)被限制于原子附近。但在固體中，由于原子的堆積，會(huì)形成較寬的「容許能帶」，「容許能帶」與「容許能帶」間由「禁止能帶」隔開，電子是不能具有禁止能帶能量的。在可見光及紅外線范圍，參與的主要是最外層電子。以下是一些已經(jīng)知道的梗概。非線性折射的解釋在原子尺度中有許多技巧可用以改變半導(dǎo)體的折射率。晶體的每一邊都只有幾毫米長(zhǎng)，也曾經(jīng)從比這小得多的晶體做出干涉計(jì)。我們用的鐳射光源是一氧化碳鐳射，波長(zhǎng)位于紅外線的窄小范圍里面，它的波長(zhǎng)可以調(diào)整。在我們的工作中，曾用具有高度非線性反應(yīng)的化合物半導(dǎo)體銻化銦。從那時(shí)候起，光學(xué)雙穩(wěn)元件成為許多實(shí)驗(yàn)室工作的主題。應(yīng)該注意的是，在雙穩(wěn)元件中，入射光強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同透射率，真正的透射率決定于該「洞」以前的經(jīng)歷。一個(gè)呈現(xiàn)遲滯曲線的光學(xué)元件稱為「光學(xué)雙穩(wěn)元件」（optical bistable devices）。入射光強(qiáng)度再一點(diǎn)點(diǎn)微小的減少，就足以使透射急遽地減少。當(dāng)入射光強(qiáng)度自高峰稍微地降低時(shí)，透射強(qiáng)度并沒有循原來的路徑快速地降低，理由是留在「洞」中的光強(qiáng)度又折射率還足夠維持適當(dāng)?shù)摹腹鈱W(xué)長(zhǎng)度」以保持最大透射率。「洞」中增強(qiáng)的光束加上自外面進(jìn)來同時(shí)也在增強(qiáng)中的光束，加速改變折射率，加速改變的折射率更加速「洞」中的光趨向建設(shè)性干涉，加強(qiáng)的光強(qiáng)度又更怏地改變折射率，如此循環(huán)不已。