量子计算与量子计算机

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1、量子计算机及其原理毕业论文1007034138理学院谢华学生姓名：学号：物理学学院：田瑞生专业：指导教师：2014年5月摘要21世纪是信息化的世纪，传统电子信息化的发展已经见证了这个社会的发展。以半导体晶体管为基础的计算机，给了人们处理信息的极快速度使人类的生产能力越来越强。计算机的发展一直按照摩尔定律向前发展，但是现在人们已慢慢发现了这种发展的极限。世界上越来越多的科学家开始寻找新的方法来试图解决计算机发展的瓶颈。新兴起来的包括生物计算机和量子计算机等。量子信息学是建立在量子力学和信息科学基础上，研究新型信息处理方法的一门学科，包

2、括量子通信、量子计算和量子密码等几个方面。量子计算机作为量子信息学的一个主要研究分支，是一类基于量子力学原理，可进行高速并行数学和逻辑运算，因此在许多复杂计算问题上能超越基于经典物理原理的经典计算机，并且能够存储及处理量子信息的新型计算机。而量子计算正是研究如何建造这样一种新型的量子计算机。理论上，量子计算机在很多方面优于经典计算机:一方面，经典计算机芯片存在着进一步集成的技术困难，尤其是散热等突出的问题，限制了其计算速度，而这些问题都不存在于量子计算机;另一方面，量子计算机可以实现一些经典计算机不能解决的问题，比如大数分解等。因此

3、，量子计算机为计算机的发展开辟了一个新的天地。然而，量子计算的实验实现，首先需要对量子体系进行初始化，再对其进行相干控制和操作，最终对存储在量子体系中的信息进行读取。迄今为止，可用于量子计算实验的物理体系主要有:核自旋、电子自旋、光子、离子阱、超导Josephson结等。其中电子自旋，由于其操作时间远小于核自旋(相差三个数量级)，具有很大的优势，并存在着可扩展的潜在发展趋势。目录第一章绪论1.1引言1.2量子计算机的思想起源1.3内容安排第二章量子计算机理论基础2.1量子力学基本假设2.2量子态的特性与描述2.3量子纠缠2.4量子信

4、息2.4.1量子比特2.4.2幺正变换2.4.3量子门第三章量子计算3.1量子计算算法3.2通用量子逻辑门3.3实现量子计算的基本条件3.4量子比特的退相干第四章量子计算机的实现4.1量子比特的初态制备4.2量子比特的普适逻辑门操作4.3量子比特的测量第五章量子计算机的物理载体第六章量子计算机发展的最新前沿总结与展望参考文献致谢第一章绪论1.1引言我们的时代是信息时代，信息科学与技术已经深入到社会的各个方面。信息科学的飞速发展，使经典信息系统受到巨大的挑战，从而诞生了由量子力学和信息科学形成的一门新兴交叉学科——量子信息学。量子信息

5、基于量子特性而具有独特的信息功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面，具有突破现有经典信息系统极限的能力。由于量子信息学潜在的巨大应用价值及重大的科学意义，不仅引起各国政府和科技界的广泛关注，而且受到信息产业界和军事部门的高度重视。因而量子信息科学作为目前最有吸引力的前沿领域之一，已经成为国际学术界研究的热点，量子信息技术将为人类带来难以估量的影响。量子信息学主要包括量子通信和量子计算。本文简要介绍量子计算和量子计算机的概念、类型、理论框架、发展状况及相关问题。在21世纪，谁在量子计算与量子通信上走在了世

6、界前面，谁就将成为世界信息技术规则的制定者，谁才能拥有绝对优势，成为世界的领头羊，这也就成为了我选择做这方面论文的理由。1.2量子计算机的思想起源1996年，美国《科学》周刊科技新闻中报道，量子计算机引起了计算机理论领域的革命。同年，量子计算机的先驱之一，Bennett在英国《自然》杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进入工程时代。目前，有关量子计算机的理论和实验正迅猛发展，那么，什么是量子计算机呢?理查德.P.费曼最先在1982年指出，采用经典计算机不可能以有效方式来模拟量子系统的演化。我们知道，经典计算机与量子系统遵从不同的物理规

7、律，用于描述量子态演化所需要的经典信息量，远远大于用来以同样精度描述相应的经典系统所需的经典信息量。量子计算则可以精确而方便地实现这种模拟，即便是采用少数量子比特的量子计算机也可以进行有效的量子模拟，事实上人们已采用这种方法在简单情况下预言了量子体系的行为。1985年，英国牛津大学的研究人员戴维·多伊奇深入研究了量子计算机是否比经典计算机更有效率的问题。他首次在理论上描述出了量子计算机的简单模型——量子图灵机模型，研究了它的一般性质，预言了它的潜在能力。但当时的人们还不知道有什么具体的可求解问题，量子计算能比经典计算更有优越性。因此

8、，一直到1993年为止，关于量子计算的研究，其动力还只是小的学术圈内对量子计算问题的好奇心。1993年之后，情况发生了改变，美国Bell实验室的数学家Peter.W.Shor从原理上值出，量子计算机可以用比经典计算机优越得多的速度来求