新世纪的曙光——量子计算机郭桐

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1、新世纪的曙光——量子计算机郭桐郭桐物理工程学院12级物理学（本硕）E-mail：752244360@qq.com关键词：量子计算机诺贝尔物理学奖量子力学偶然性朵朵白云在湛蓝的天空中巧妙地点缀，随着时间的推移，白云再也遮挡不住，于是，太阳的光茫显露了出来。无边无际的大地上落满了太阳的光辉，是那么的耀眼、夺目……又给人那么美好的享受与展望。2012年10月9日，在这个晴朗的一天，一切事物都是格外的美好，法国科学家SergeHaroche与美国科学家DavidJ.Wineland的心情想必也一定不错。他们因“突

2、破性的试验方法使得测量和操控单个量子系统成为可能”而获得了2012年的诺贝尔物理学奖。他们的成就和他们突破性的试验方法使得根据量子物理学来建造一种超级超快计算机的新领域向前迈出了第一步。这一步可以说是具有历史性意义的，当然笔者认为这也许就是他们打败今年争夺诺贝尔物理学奖最热门的“上帝粒子”的原因。这种超级超快计算机对人们的生活和微观世界的研究有着重要意义，这种计算机也被叫做——量子计算机。量子计算机——定义与发展史随着物理学家们对量子计算机的研究，量子计算机是一种根据量子力学规律来进行高速数学和逻辑运算、

3、储存及处理量子信息的物理装置。当然，量子计算机不是让我们用来玩游戏的，因为这好比拿激光切割机去切纸一样，有些大材小用。著名物理学家理查德·费曼最早提出量子计算机这个概念，他当时认为若用量子系统的计算机来模拟量子现象，可以大大减少运算时间。随着时间的推移，量子计算机被更多的人研究，它的各方面的性质及特点也被更多的人所接受。量子计算机的基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。在1994年，PeterShor提出质因子分解算法，对通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁，因此，量子计算机变

4、得更加热门。直到今天，量子计算机的研究终于迎来了新的曙光。量子计算机——量子力学说到量子计算机，不得不提的就是量子力学。笔者认为，量子力学特点之一就是一种随机性、偶然性表现。举个例子，体育彩票通常会通过抽取在容器中随机滚动的标有数字的小球来决定谁是正真的赢家，随机抽取确保了游戏的公平性，因为每一张彩票中奖的概率都是一样的。物理是有关力和运动的科学，也许会有人要求物理学家经过精密的计算来确定小球的运动状态、路线与旋转情况，最终得出小球最后将显示的号码，小球的数目和容器的大小使得这项工作变得困难，任何一个小球

5、的运动都是复杂的，因为在小球运动期间它要和容器与其他的小球进行碰撞，所以小球要显示什么号码完全是随机偶然的。正如量子力学所描述的那样，在整个宇宙中，偶然性随处可见。再比如说，量子力学要去描述一个粒子的运动，它可能会这样说：粒子有50%的可能通过小孔A，有30%的可能通过小孔B，有20%的可能通过小孔C。至于在某次具体的实验中，粒子将走哪条路径，量子力学就无能为力了。关于量子力学的不确定性，一直有科学家对其进行排斥，薛定谔就是其中之一，他的观点是，不存在所谓的不确定状态。他的一项“思维实验”——“薛定谔的猫

6、”就是这样描述的：一只猫被关在一个装有致命毒药的箱子里，瓶子随时都有可能破裂，而我们看不到箱子里的情况，也听不到箱子里的任何动静，所以没有人知道瓶子是否打破并把猫毒死了。按照量子力学的解释，只有看的动作能够决定事物的走向，那么，在人们打开箱子之前，猫就应该被认为既是活的又是死的！因为那只猫要么是活的，要么是死的，取决于是否有人在看。然而薛定谔的论证并不像他所希望的那么有效。他的观点不仅没有造成对量子力学实质性的质疑，相反却强调了一种新型的令人惊讶的计算机的可能基础，因为量子力学所描述的不确定状态使量子计算

7、机具备比经典计算机大得多的灵活性，这也为量子计算机的进一步发展奠定了基础。量子计算机——工作原理现在的经典计算机处理的是有1和0组成的长长的数字串的二进制数据，1和0叫做比特，它们易于被计算机储存和加工，而基于量子力学的量子计算机处理的可能也是二进制数据，但那时的逻辑状态就可以是1或者0或者1和0的叠加。量子计算机的优点是它拥有更多的工作状态而且可以平型加工信息（同时加工很多信息而不是系列加工）。举个例子，安全网页所用的128位加密的128位数字，这样数字的大小可以说是个天文数字，但对于量子计算机强大的并

8、行计算能力来说，别说是128位了，就算是更多的位数，破解它也是轻而易举的。当然，说到量子计算机的工作原理，就不得不说它是如何使各个成分之间关联起来的，这就要引入“量子纠缠”的概念了，“纠缠”不受距离的限制，能够穿越任何空间而起作用，即使粒子之间相隔数公里，甚至它们位于不同的星系，对其中一个粒子的测量就决定了另一个粒子的状态。这就是量子计算机关联各个成分的关键。再举个例子加深读者对量子计算机的理解：现有函数y=f(x),x∈A，