量子计算机的本质特征及其哲学意义

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1、万方数据第17卷第9期201年9月自然辩证法研究Studles1nDlalectlcsofNatureVoj17No9S}Dt．2001文章编号：1000—8934(20叭)090012—04量子计算机的本质特征及其哲学意义郝宁湘(堪讧师范学院政法糸，广东湛江524048)摘要：文章在介绍了量子计算机产生的历史背景与基本概念的基础上。论述了量子计算机的本质特征及其哲学意义。关键词：量于计算机；量子图灵机；量子并行计算中图分类号：N031；N02文献标识码：A在人类跨入2I世纪的前后，计算机科学面临着一个新的挑战：计算机是否存在极

2、限的运算速度?这一问题已成为世界数学家和电子技术专家们关注的重要课题。正如有关专家指出的，20世纪下半叶电子计算机蓬勃发展的主要基础是基于硅材料的微电于器件。目前018微米微电子工艺技术已基本过关，到2010年前后．微电子工艺将突破01微米，进入亚0．1微米技术时代。当集成电路的线宽小于ol微米以后，来自器件工作原理、工艺技术与制造成本等方面限制将形成难以克服的障碍，许多人把这种障碍称为电子技术的“极限”。无疑．这种工艺和成本E的“极限”是一种挑战。为了迎接这种挑战．发展新的高性能的计算机，一个重要的途径就是突破硅半导体器件框框

3、，发展非传统的新技术，包括超导计算、量子计算、生物计算与光计算等等。其中发展量子计算机就是被许多发达国家的计算机专家普遍看好的一个方向。一些物理学家成功地将量子理论和计算机科学结合起来．提出了许多令人耳目一新的橇念、原理和方法．当前量子计算机、量子通信等已经成为研究热点，并取得重要进展。1量子计算机的概念与发展历程量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究．而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。早在六七十年代．人们就发现，能耗会导致计算机芯片的发热，影响芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。Landauer蛀早考虑了这个

4、问题，他考察了能耗的来源．指出：能耗产生于计算过程中的不可逆操作。例如，对两比特的异或操作．因为H有一比特的输出，这一过程损失了一个自由度，因此是小可逆的，按照热力学，必然会产生一定的热最。但这种不可逆性是不是不可避免的呢?事实上，只要对异或门的操作的简单改进．即保留一个无用的比特．该操作就变为可逆的。因此物理原理并没有限制能耗的下限．消除能耗的关键是将不可逆操作改造为可逆操作。B—ett后来更严格地考虑了此问题．并证明了．所有经典不可逆的计算机都可以改造为可逆计算机．而不影响其计算能力。大家知道，经典计算机实际上就是一个通用图

5、灵机。图灵机的模型是不可逆的，例如，对图灵机操作“写存储单元斗左移一格”，其逆就变成了“左移一格呻写存储单元”，该逆操作不再是一个有效的图灵机操作。但Bennett证明了一个基本结果：对所有不可逆的通用图灵机．都可以找到一个对应的可逆图灵机．使得两者具有完全相同的计算能力和计算效率。因为计算机中的每步操作都可以改造为可逆操作，在量子力学中．它就可以用一个么正变换来代表。Ben-d什是最早(1982年)用量子力学来描述可逆计算机的科学家。在量丁可逆计算机中，比特的载体成为二能级的量子体系．体系处于10>和11>上，但不处于它们的迭

6、加态。量子可逆计算机的研究，其核心任务为，对应于具体的计算．寻找合适的哈密顿量来描述。收稿日期：20010227作者简介：郝宁湘(1963一)．山西太原人，湛)工师范学院政浊未副教授，王要研究方向为数学哲学、科技哲学，12万方数据早期的量子可逆计算机，实际上是用量子力学语言表述出来的经典计算机，它没有利用量于力学的本质特性，如量子叠加性和相干性。不过当时就有人指出，这些量子特性可能在未来的量子计算机中起本质怍用，如用来模拟量子系统。L992年来，这一领域的研究终于取得了一些突破性的进展，Deu【schLl’找到一娄问题．对于量子

7、计算机该粪问题存在多项式算法(多项式算法指运算完成的时间与输入二进制数据的长度，即比特的位敬存在多项式关系)，而经典计算机则需要指数算法。但最具轰动性的结果却是美国贝尔实验室的shor于1994年给出的关于大数因于分解的量子多项式算法。2J。也是在1994年，有人采用分布在全世界的1600台工作站花丁8个月时间(利用机器空闲时间)成功地分解了一个129位数；如果仍用这1600台工作站试图分解一十1000位的大数，其计算时间将太大超过宇宙的年龄，而用shor的量子算法，则H须几百万步计算，这是多么了不起的突破!shor的发现掀起了

8、研究量子计算机的热潮，从此后，量于计算机的发展日新月异。2量子计算机的计算本质与计算方式1996年，黄国(科学)周刊科技新娟中报道，量子计算机引起r计算机理论领域的革命。同年，量子计算机的先驱之一．Bem融t在英国(自然)杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进入工