量子计算机的发展趋势分析

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1、量子计算机的发展趋势分析1.导读32.量子计算机的前世今生33.量子计算机的应用和未来104.量子通信概要131.导读今天，我们处于工业革命4.0的时代。如果从人类对物体间的相互作用和物质层次上来看这几次工业革命。我们会发现，以蒸汽机为代表的工业革命1.0使人们从自然现象中抽象出了力的概念，人们以此建立了描述宏观物体之间的相互作用理论；当人们建立、理解并应用了电磁力概念之后，工业革命2.0随之而来，人们仰仗的是分子之间相互作用的理论；当人们理解了原子核内的相互作用后，工业革命3.0和4.0应运而生，这一时期，人类建立了描述原子间相互作用的物理理论

2、一一量子力学和相对论。那么在这么强大的理论指导下会产生什么样的技术革命呢？这样的技术对我们的日常生活会造成怎样的影响呢？2.量子计算机的前世今生20世纪初，相对论和量子力学引发了一场翻天覆地的物理学革命，这是人类史上最伟大的知识综合。但是，相对论和量子力学之间存在着矛盾。相对论的创始人爰因斯坦和量子论创始人尼尔斯•玻尔(NeilsBohr)为此争论了一生。玻尔去世的前一天,还在黑板上涂抹着爰因斯坦反对量子论的哥本哈根解釋的理想实验示意图。量子论的哥本哈根解释虽然在实验中得到了验证，但是哥本哈根解释很让人费解，因为它放弃了物理事件的定域性和实在性，

3、这与人们的常识相悖。爱因斯坦和玻尔一直到死也没有说服对方。20世纪60年代，英国物理学家约翰•贝尔(JohnBell)在数学家冯•诺依曼的《量子力学数学基础》一书中发现了一个简单的错误，并在此基础上推导出一组著名的不等式一一贝尔不等式(Bell'sinequality),这是物理学史上的最著名的一组不等式，因为它可以被用来验证我们的宇宙是定域实在的还是依赖于人们的观察的。也就是说，它可以用实验来解决爱因斯坦和玻尔之争。▲玻尔（左一）和爱因斯坦（右二）贝尔不等式提出后，就有人对其进行了实验验证，因技术限制，结果不令人信服。1982年夏，随着激光技术

4、的进步，精确验证成为可能。法国奥赛光学研究所的物理学家阿莱恩•阿斯派克特（AlainAspect）主持了第一次精确意义上的贝尔不等式验证。他们把钙原子激发到高量子态，再让它落回到基态，释放出一对对光子，让两个光子飞出相隔约12米后，测量其相关性。要是世界符合爱因斯坦理论，两个光子的相关性就应符合贝尔不等式。反之，两个光子就是纠缠着的，世界就不是定域实在的。3小时后，实验结果出来了，符合量子论，爱因斯坦的预测偏离了5个标准差。阿斯派克特小组的报告于当年12月发表在《物理评论快报》(PhysicsReviewLetters)上。直到今天，全世界的物理

5、学家还在重复着阿斯派克特的实验，新手段不断被引入。马里兰和罗切斯特的硏究小组用紫外光观测到了连续的输出相关性；在英国，有人用光纤将两个纠缠的光子分丙4公里以上；在日内瓦，这一距离达到了数十公里。在这样的距离上，贝尔不等式仍然不成立。1990年z格林伯格(Greenberger)、霍恩(Horne)和蔡林格(Zeilinger)等人用三个光子的纠缠避开了贝尔不等式，证实了量子论的预言。2000年，潘建伟小组在《自然》杂志上报告，他们的实验证实了GHZ定理，再次否决了定域实在。该现象变得如此不容置疑，以至于在量子信息领域里，这已是检验两个量子比特是否

6、纠缠的常规测量方法了。阿斯派克特实验是物理史上影响最深远的实验，它可以和1886年的迈克尔逊一一莫雷实验(Michelson-MorleyExperiment)相提并论。大多数人早就预料到了量子论的胜利。因为量子论自创立以来，在它的每一个应用领域里都取得了成功。阿斯派克特实验之后，人们开始相信宇宙是非定域的。也就是说，处在纠缠态的两个粒子之间有着某种实时的相互影响。因为它不能用来实际传送信息，与相对论并不矛盾。量子纠缠为我们提供了一种完全无法破译的通信手段•这是一种高速■安全的通信技术，我国的潘建伟教授在该领域多有建树。基于量子纠缠现象，有人提出

7、了量子计算机的概念。早在1957年，曾在玻尔研究所工作过的普林斯顿大学物理系教授约翰A.惠勒(JohnA.Wheeler的学生休•埃弗莱特(HughEverett),就在他的博士论文中提出了量子论的多宇宙解释(multiverse),为量子计算机奠定了理论基础。来自以色列的牛津大学犹太裔物理学家大卫•多伊奇(DavidDeutsch)曾向埃弗莱特请教希尔伯特空间的问题。多伊奇后来对量子计算机做出了重大贡献。纠缠光子对▲量子纠缠今天的计算机，本质上都是图灵机。它读入数据，按算法处理数据，输出结果。计算机用二进制处理信息。1个二进制数是1个比特（bi

8、t）。传统计算机中1个比特取值只能是0和1，即开关电路的开或关。10个比特能记录1个10位的二进制数。在量子计算机里f1个比特同时记录0