量子计算机进展 3页

第308卷　第期计　算　机　工　程20044年月Vol.30№8ComputerEngineeringApril2004·/发展趋势热点技术·文章编号：1000—3428(2004)08000——703文献标识码：A中图分类号：TP38量子计算机进展12张镇九，张昭理(1.华中师范大学物理科学与技术学院，武汉430079；2.)华中师范大学计算机科学系摘要：对近几年量子计算机从实验室走向实用化的重要进展作了一个简要综述。概述了量子计算机的优点，给出了不需要量子交缠的量子计算方法以及量子计算机的程序——量子幺正操作的特性，介绍在克服退相干所带来的困难方面所取得的进展以及大尺度和实用化方面的进展，最后给出概要的评述。关键词：量子计算机；量子幺正操作；退相干RecentDevelopmentsonQuantumComputers12ZHANGZhenjiu，ZHANGZhaoli(1.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan430079；2.DepartmentofComputerScience,CentralChinaNormalUniversity)【Abstract】Thispapersummarizsedevelopmentsofrecentyearsonquantumcomputersfromexperimentaltopracticable.Afterintroductionofadvantagesofquantumcomputers,itgivesthealgorithmsforquantumcomputationwithoutusingquantumentanglementandthecharacterofprogramforguantumcomputer——quantumunitaryoperation.Andintroducesdevelopmentsofthewaystoovercomethedifficultiesofde-coherence,anddevelopmentsonscalableandpracticablequantumcomputersrespectively.Thelastpartofthepaperisabriefcomment.【】KeywordsQuantumcomputers;Quantumunitaryoperation;De-coherence1概述粒子的存在。因为那时还没有在实验上直接观察到单个光科学和技术发展史上的许多里程碑是与发现驾驭自然的子、电子，所以也不关心测量问题。新方法相关。信息已成为人类的重要资源之一。计算机能在在计算机的器件尺度方面，经典计算机要达到体积小、人脑之外处理信息。从物理学观点来看，计算机是位的阵容量大和速度快的要求受到限制。686计算机的CPU的硅芯列，它具有将位的一个位形映射为另一个位形的功能。计算片的集成电路的线宽为0.35μm1，要将处理能力提高倍，相技术从利用结绳记事、算盘、齿轮式计算机到电子计算机，当于要将线宽缩小一半。这样，每前进一步，要化比过去大都是改变物理状态以处理信息。得多的代价。而且，当集成电路的线宽小于0.1mμ时，量子创建新一代高性能的、安全的计算工具和通信技术是量效应显得很重要。器件的尺寸再小就必须考虑量子效应。子论和信息论结合的产物。世界上第一台电子计算机迄今为止，在实用中的各种不同类型的计算机，都是以ENIAC于1946年问世。50多年来，计算机正部分地替代或经典物理学为信息处理的理论基础，称为经典计算机。量子延伸人类的脑力劳动，从质和量的方面迅速改变了人们的工计算机则是以量子物理作为信息处理的理论基础的新一代计作和生活。随之而来，人们发现经典计算机的一些局限。算机。首先，在计算速度方面，大数因子分解的困难是目前经近年的研究进展表明，应用量子信息的产生、载荷、传典计算机RSA公共加密系统的基础。在经典计算机上进行因播和处理，可能构造高性能的量子计算机，提供全新的量子子分解，所需运算次数随输入量的大小呈指数次方增长。以通信手段和原则上绝对不可破译的加密术。目前世界上运算速度最快的经典巨型计算机(千亿次为/s)1982年，Feynman提出量子计算机的概念；1985年，22例，将22位(十进制)的数N(10)进行因子分解，除法运算的Deutsch提出量子计算机的第一张蓝图，将量子力学和信息11次数最多为(N1/2约为10)次，即千亿次，用时约需要；1s处理两个领域结合起来。原则上已证明了量子计算机将比现7对36位的数则约需要一年(约为10s)，对56位数需要的时间有计算机快得多。17约相当于宇宙的寿命(百亿年，约为10s)。数学家证明，这20世纪30年代，有两篇非常有影响的论文发表。一篇是种状况在经典物理范围内是不可能从本质上解决的，这也是1935年爱因斯坦、波托尔斯基和罗森(简称EPR)的论文，它RSA加密系统的安全性的问题所在。揭示了量子论的奥妙；另一篇是1936年图灵的关于信息处理在量子计算机上采用Shor量子算法进行因子分解是有效的论文，它为20世纪最大的()计算机工业奠定了基础。的。对上述56位数的因子分解，用量子计算机可在若干秒钟对量子信息论进行深入研究的第一步是1964年贝尔对内解决。于是，RSA加密系统的安全性面临挑战。EPR效应的分析，提出贝尔不等式。实验方面的重要一步是在模拟量子现象方面，1981年，费曼提出了经典计算机1982年Aspect等的实验。结论是原来有相互作用、以后不再能否精确模拟量子现象的问题。量子纠缠(例如用爱因斯坦等的名字的第一个字母所命名的EPR)效应就显然不能用经基金项目：国家自然科学基金资助项目(69773052)典计算机精确模拟。1985年，费曼提出量子计算机，他的模作者简介：张镇九(1938)－，男，教授，主研方向：量子计算与通型虽然用上量子力学，却只是20世纪20年代中期的量子力学信加密；张昭理，硕士的观念。当时的哥本哈根学派的玻尔解释或多或少否认单个收稿日期：2003-03-30E-mail：zhang_zhenjiu@mail.china.com——7\n有相互作用的两个量子系统之间存在瞬时的超距量子关联，实验和理论方面均取得许多重要进展。现在称为量子交缠，或简称交缠，这是没有经典类似的典型本文主要引用美国的Science和英国的Nature上发表的实的量子特性。交缠已经得到实验实现。交缠态发生器作为量验和理论结果，对近年来量子计算机走向实用化的进程中的子器件，已经是一种产品和商品。的重要进展作一个简要的综述。量子计算机是利用量子态的相干叠加和纠缠。为此，它2不需要量子交缠的量子计算使用两个量子寄存器。第一个为输入寄存器，第二个为输出量子计算机的优越性需要量子交缠，但是，的MITNeil寄存器。不同的输入态之间是正交的；不同的输出态之间也Gershenfeld和IBM的IsaacChuang用核磁共振的方法实现量是正交的。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操子计算却不需要量子交缠。2000年MIT的SethLloyd证明，作来实现。利用量子力学中粒子的波动性所产生的相干效应可实现量子单量子位的量子逻辑门实现一个量子位的翻转。两量子计算等量子操作。但是不利用交缠的代价是使用的资源这(位的量子逻辑门，其中一个是控制位，它确定在什么情况下种量子计算机需要更多的分束器、探测器及其它设备)成指目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改数次方增加，当然没有利用量子交缠的量子计算机那样优变：翻转或相位移动。越。1948年香农(ClaudeShannon)建立了现代计算的基础2001年美国LosAlamos国家实验室的Laflamme只用简单——信息论。分别利用电流的通或断、电压的高或低等表示的透镜、反射镜等线性光学器件去处理一束没有交缠的光，二进制的“位”(bit)01和，对这些“位”的操作可以进行计困难是需要一次只发射一个光子的光源和能探测到一个一个算。量子计算机将“量子位”(qubit)|0>和|1>分别与光子的光子的很灵敏的单光子探测器。这在纸上谈兵是容易的，但不同偏振态、原子的不同取向的自旋态、超导体中的电流是是实现起来又难又昂贵。左旋或右旋等相对应。与经典位不同的是，一个量子位可处3量子计算机的程序——量子幺正操作的特性于和|0>|1>的叠加态。于是，对量子位操作一次，相当于对量子幺正操作()例如射电脉冲改变核自旋的取向是可逆经典位操作两次。这是量子计算机的一个优点。过程，它不改变信息量。改错和读出(例如测量)操作是非幺使量子计算机具有更大优越性的是量子交缠正操作，将改变信息量。两个不对易的幺正操作的次序不(entanglement)，相隔很远的两个交缠的量子态具有瞬时相同，合成结果不同。正如同球面上两个不同方向的运动的次关性，例如，改变其中一个的状态，另一个的状态则立即改序不同，合成结果不同。量子力学中用Hilbert空间的矢量描变，不论它们相隔多远。两个量子位和|0>|1>4可同时处于个写量子态，Hilbert空间中的两个幺正操作的合成可由一个量不同状态：，，和(|0>|1>)(|1>|0>)(|1>|1>)(|0>|0>)3。个量子子态变换到另一个量子态。量子计算机的程序就是一系列的n位可同时处于8个不同状态。n2个量子位可同时处于个不同可行的操作串。例如，Show算法用于加密和解密，Grover32状态。例如，一个322位的经典计算机要进行次(约4G)次操算法快速搜索数据库，用量子计算机模拟量子系统等，都是作才能完成一次计算任务；而一个交缠的32个量子位的量子执行一系列的可行的量子操作串。计算机只要进行1次操作就能完成。上世纪90年代发现了量4克服退相干所带来的困难子计算机的这个潜在的、惊人的巨大优越性。1994年美国的在量子计算的过程中，由于与外部环境的相互作用，会贝尔实验室的PeterShow得到这种指数效应的一个重要推论有信息的丢失，称为退相干。但是，可以用附加的量子位去(称为Show)算法。保护因特网上业务处理安全的公共密钥加发现和改正由此造成的错误，而无须对其进行测量，因为测密系统()其安全性是基于大数因子分解的困难在量子计算机量会造成不可挽回的信息丢失。克服退相干的另一个方面就面前无密可保。虽然现在最先进的量子计算机也只能对进15是尽可能将系统孤立起来以保护量子相干。这方面的努力行因子分解，但是一些年后，如果实用型的量子计算机能造有：离子阱和原子阱技术，固体和液体中的核自旋技术，利出来，那么，因特网就不安全了。用被限制的电子态以及利用超导体中的电子态等。为了保护在快速搜索数据库方面，例如，一个号码锁有25种可能量子门不受外界影响，2001年9Scienc月e发表了美国Los的组合，用通常的计算机平均要尝试12~13次才能打开，最Alamos国家实验室和麻省理工学院(MIT)的Viola等在实验上坏的情况要尝试25次。1997年美国的贝尔实验室的Lov实现了在非噪声子系统进行量子信息处理。Grover(证明称为Grover算法)5，用量子计算机不需要超过2001年12月，Nature发表IBM一个研究中心的次。一般，对于N种可能的组合，用通常的计算机平均要尝Vandersypen7等人完成的实验，他们利用了分子中的个自旋试N/2次才能打开，而用量子计算机不需要超过N次。在为1/2的原子核，用核磁共振的方法实现了15=35×的量Shor数目很大时，这个优点就明显。例如，将疑犯的手印从个N子算法的因子分解。手印中认证出来，若N为200万，用通常的计算机平均要尝克隆单个光子对量子计算(特别是将许多基本量子逻辑试100万次，而用量子计算机不需要超过1000次。这是因为门组成量子计算网络时)和量子加密通信都很重要。年2002量子计算机将数据库的N个被搜索的对象叠加为Hilbert空间英国剑桥大学和美国加利福尼亚大学的学者在实验上实现单中的一个态，要搜寻的态只是其中的一个分量。光子的最佳量子克隆。量子力学中有一个未知量子态不可精1998年10月，第九次全国青年计算机学术会议在上海交确克隆定理，这种不可克隆性质也是量子信息与经典信息之间的一个最重要的不同之处。这也是量子加密的安全性的核大召开，会上有“量子计算机进入实验阶段”的特邀报告。心。这还是量子力学与相对论能共存的关键，否则，将一个几年之后，量子计算机在走向大尺度和实用化的方向上，在量子态克隆后超传到远处，收到后加以克隆，对其中之一进——8\n行测量，就能实现超光速传递，而这是与相对论矛盾的。既均为75%的偏振的纠缠光子对中提取出保真度为92%的纠缠然精确的克隆不可能，那么，能够得到的最大保真度是多光子对。少？为此，他们将单个入射光子送到一个介质，该介质可以6讨论以相同的概率自发辐射任何偏振状态的光子，介质的旋转不最近Science和Nature所发表的实验结果，特别是Nature变形保证了克隆过程的通用性。这样，介质就受激辐射一个在20033年月27日那期上同时发表的两个实验结果，说明这与入射光子具有相同偏振态的光子，完成单光子克隆(与此两个研究组已经用离子阱技术创造出量子计算机的两个重要同时，自发辐射另一个与受激辐射光子的偏振方向正交的光基本部件，这是非常重要的进展。这两个量子门的完成，使子。)得有可能构成大尺度的可以实用的量子计算机。20021年月3日，Nature415期报道发现一种新的原子物20035年月22日在Nature上发表的实验结果对克服退相质状态。研究发现，加载进一个三维光学点阵中的一个玻色干、实现量子信息加密和远程输送以及量子计算的改错将起-爱因斯坦凝聚态，随着构成该点阵的激光强度的增加，会到关键作用。现在，7个原子的量子计算机原型已经在实验经历一个可逆量子相变。这一新的原子物质状态对于量子计室中做出来了。算机的研究都将产生影响。2001年11月，已证明可用包含1012个原子的宏观原子系20032年月Nature发表潘建伟等的实验结果。该实验实综和线性光学器件实现长距离量子通信。这为长距离量子密现了量子位的自由超传(teleportation),这对量子计算机中量子码传送开辟了新的道路。位的相继制作非常重要。但是，这些都还不是真正可以买来据2002年10月Nature(419期)报道,德国和英国的一个研在桌面上使用的大尺度化的量子计算机。究小组在相距23.4km的两座山之间的自由空间实现了绝对5在大尺度和实用化方面的进展安全的量子密钥配置，为与近地轨道卫星及全球之间的绝对大尺度和实用化的量子计算机可能要综合以下技术中的安全的量子秘密通信走出了重要一步。长处：可进行光激发的非幺正操作，具有平版印刷技术中的2004年1月，582位中国科学院和中国工程院院士投票评寻址功能，具有由计算机整体所提供的相干保护等。选出2003年中国和世界十大科技进展新闻，其中有“中国科20033年月27日出版的Nature发表了奥地利大Innsbruck技大学在量子通信实验领域取得重大进展，为未来远距离量学的Kaler等根据Cirac-Zoller所提出的量子可控非门的大尺子通信等奠定了基础”和“日本研制出量子计算机基本电度化方案，用离子阱中的一串离子代表信息的量子位，量子路”。逻辑门只与离子的子系统相关，这些离子靠量子集体运动偶合起来。在两个分离的离子间进行量子控制非门的(CNOT)参考文献操作。量子CNOT门与经典XOR门相对应，它根据控制位的1张镇九.量子计算机进入实验阶段.计算机工程,1999,25(1):3-440+状态来改变目标位。用激光束聚焦于阱中的两个Ca离子，2ShorPW.AlgorithmsforQuantumComputation:Discrete量子位是两个电子态的叠加态。LogarithmsandFactoring.In:Proceedingsofthe35thAnnualNature在同一期(20033年月27)日上还发表了美国国家标SymposiumontheFoundationsofComputerScience,Eds.S.准与技术研究所、科罗拉多大学以及英国剑桥大学的Goldwasser,SantaFe,IEEEComputerSociety,Press,LosAlamitos,1994:124-134Leibfried等的研究结果，他们用实验演示了强健的、高保真3ZhangZL,ZhangZJ.Nonlocality,Entanglement,andQuantum度的两个离子量子位的几何相位门。两位量子门是量子计算Computers.In:ClassicalandQuantumNonlocality,Eds.P.G.Ber-机的基本构件，而几何相位门是比离子阱中已实现的动力学gmann,V.DeSabbata,andJ.N.Goldberg,WorldScientific,Sin-门具有更实际和更少出错的通用量子门。他们利用光学偶极gapore,2000:209-239力诱导相干位移实现两个离子的量子位的通用几何π-相位4张镇九,,张昭理李爱民.面向21世纪物理学丛书——量子计算与通门。该实验中将离子制备于纠缠的贝尔态，使其单量子位发信加密(M).武汉:华中师范大学出版社,2002生旋转，而达到97%的高保真度。这种技术方法可推广到大5LinaresAL,SimonC,HowellJC,etal.ExperimentalQuantum量离子的量子位的情形。CloningofSinglePhotons.Science,2002,(296):71220035年月22日出版的英国Nature杂志，发表了首次通6PanJianwei.ExperimentalRealizationofFreelyPropagating过实验证实量子纠缠状态纯化的实验结果论文，并在封面上TeleportedQubits.Nature,2003,(421):721-725发表该实验装置的照片。要想让量子通信变成实用，比如用7KalerFS.RealizationoftheCirac-ZollerControlled-NOT于量子加密和远程输送，就有必要在遥远的地点间分配纠缠QuantumGate.Nature,2003,(422):408-411状态。由于在量子通信通道中存在无法避免的退相干，使纠8LeibfriedD.ExperimentalDemonstrationofaRobust,High-fidelityGeometrictwoIon-qubitPhaseGate,Nature,2003,(422):412-415缠态的品质将随着传播距离的增大而以指数方式衰减，因9PanJianwei,Saragasparoni,RupertUrsin,etal.ExperimentalEntangle-此，需要通过“纯化”，从纠缠程度较低的状态中提取出mentPurificationofArbitraryUnknownStates.Nature,2003,(423):高度纠缠和高纯度的纠缠状态来，以克服退相干，为实现量417-422子信息加密和远程输送扫除障碍。纠缠态的纯化还会提高不同量子位之间逻辑运算的质量，在量子计算的改错中起到关键作用。利用线性光学技术，该实验对任意未知态从保真度——9