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量子计算机方面论文范文集,与量子计算的昨天、今天和明天相关论文答辩
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2012年的诺贝尔物理奖被授予阿罗什（SergeHaroche）和维因兰德（DavidJ.Wineland）以表彰他们“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”.瑞典皇家科学院发布的关于诺贝尔物理奖的公告里专门强调了他们的研究成果在应用方面的重大意义：“他们的突破性的方法,使得这一领域的研究朝着基于量子物理学以建造一种新型超快计算机迈出了第一步.就如传统计算机在上世纪的影响那样,量子计算机或许将在本世纪以同样根本性的方式改变我们的日常生活.”阿罗什和维因兰德的发现在物理上固然十分重要,但量子计算机日益显现出的潜在应用前景,对他们获得诺贝尔奖大概也加分不少.
从上世纪70年代起,一些物理学家和计算机科学开始设想基于量子力学原理的计算装置.1982年,著名理论物理学家费曼（RichardFeynman,1918-1988,获1965年诺贝尔物理奖）在一次演讲中首次提出了一个利用量子系统进行计算的抽象模型.这标志着跨越物理学与计算机科学的一个崭新领域——量子计算的诞生.三年多后,达奇（DavidDeutsch）认识到,以费曼的想法为基础,起码在理论上可以建造出通用目的的量子计算机.他在一篇论文里证明量子计算机可以准确无误地模拟任何物理过程,这为量子计算从纯理论走向实践开启了大门.
量子计算的理论基础是量子力学.量子理论虽然有近百年的历史,但时至今日我们对量子力学的了解可以说仍是只知其然而不知其所以然.如果接受量子力学的原理,我们可以从这些原理出发,对微观世界中的物理现象作出完美的解释.至于为什么有这些原理,大概只有上帝知道.所以费曼才会宣称“我想我可以放心地说没有人懂量子力学”.
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“薛定谔的猫”是人们在谈论量子力学的古怪特性之一——“叠加态”时最常引用的一个思想实验：把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有毒气的容器的实验装置.设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变.如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发该装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫.根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态.但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况.问题是,这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种?在打开盒子观察以前,这只猫是死了还是活着抑或半死半活?根据以量子理论创始人玻尔（NielsBohr,1885-1962,获1922年诺贝尔物理奖）为首的哥本哈根学派的解释,当观察者未打开盒子之前,猫处于一种“又死又活”的状态,一旦观察者打开盒子观察,猫呈现在观察者面前的只会是“活”或“死”的状态之一.换言之,当一个量子系统处于叠加态时,如果不对它进行观测,它会一直处于既是此又是彼的状态.一旦对它进行观测,它则立刻呈现为非此即彼!如何解释量子力学里这类有悖常理的现象多年来一直令物理学家和哲学家们大伤脑筋.不少人都曾尝试寻找一种说得通的解释,比如被不少物理学家所认可的“多重历史”解释和与其对立的“多重世界”解释.但始终没有真正令人完全满意的结论.著名理论物理学家霍金（StephenHawking）就不止一次地说过,“每当我听见‘薛定谔的猫’这个词,就想拔枪.”不过也正由于奇特的量子叠加态的存在,才使量子计算和量子通讯成为可能.
量子计算机的另一个根本原理是基于存在一种所谓的量子缠结态.不妨来看一个简单的例子.电子是大家比较熟悉的基本粒子,它本身具有两个自旋态：向上或向下,但如果不进行观测,它可以处于不上不下的叠加态——就像“薛定谔的猫”处于“又死又活”的状态一样.我们可以通过某种物理手段将两个电子耦合在一起,耦合之后的特性是,如果一个电子的自旋向上,则另一个的自旋也必定向上,如果一个电子的自旋向下,则另一个的自旋也必定向下.这两个电子形成的耦合态,就是量子缠结态.由于每个电子的自旋在未被观测的情况下是处于叠加态,所以它们组合而成的体系也处于叠加态.量子缠结有一个奇妙的特点：两个电子一旦量子缠结在一起,在不破坏它们状态（即不对其中任何一个进行观测）的前题下,即使将它们分隔在很远的距离之外,其量子缠结态也会继续保持不变.如果对其中之一进行观测,得到它的自旋是向上的,那么在此之后对另一个在远距离之外的电子进行观测所得到的结果就只会是向上的.反之亦然.这就相当于将信息（如果把自旋向上/向下看成是0/1）瞬时从一处传递到了另一处.时下极为热门的量子通讯就是基于这种原理.量子通讯目前只是处于初级的研究阶段,离实际应用还差得很远.最困难的是如何把量子缠结在一起的两个粒子中的一个不受干扰地运到远距离之外,因为一旦被扰动,叠加态将不复存在,一切就都完蛋了.
有意思的是,量子缠结最初在物理界引起关注,不是在于它的巨大潜在应用价值,而是被爱因斯坦、波多斯基（BorisPodolsky）和罗森（NathanRosen）作为质疑量子力学完备性的悖论于1935年提出的.他们认为量子缠结态的存在,似乎破坏了在物理学上非常基本的定域性原理,因而应该存在一种可以涵盖所有量子力学结论的更完备的“定域隐变量”理论（或曰“定域实在论”,即定域论与实在论相结合的产物）.30年后,贝尔（JohnBell）提出了一个著名的思想实验——贝尔实验,在此实验中,定域隐变量理论和量子理论会得出明显不同的结果.自1972年以来,贝尔实验被实际进行了很多次,精确度也越来越高,所有的结果都指向量子理论优于定域隐变量理论.
对传统计算机来说,信息是由一系列位元（0/1）合成的编码,这些位元经过特定组合的布尔逻辑门一步接一步地进行处理,从而得出最终结果.量子计算机则是通过量子位元和量子门对信息进行处理.在这点上量子计算机与传统计算机并没有本质区别.所以从理论上讲,传统计算机可以模拟任何量子计算机.但另一方面,量子计算机与传统计算机又有着本质的不同.其中最重要的有两点.一是存在叠加态,300个处于叠加态的量子位元所能承载的信息量是2300,这比整个宇宙中基本粒子数量的总和都大得多,是传统计算机根本不可能处理的.二是量子缠结,它使相互缠结的量子位元间的信息传递可以以连锁反应的形式在瞬间完成.这些特性决定了当处理某些种类的计算问题时,不论是速度还是效率,传统计算机都无法与量子计算机相提并论.一个典型的例子是整数的因数分解（将一个整数分解成若干个质数的乘积）.理论上,量子计算机可以在几秒钟内分解一个10200数量级的整数,这对传统计算机来说是根本不可能完成的任务.由秀尔（PeterShor）在1994年提出的第一个应用于量子计算机的算法——秀尔算法,针对的就是整数分解问题.秀尔算法不仅仅是为量子计算提供了一个可行的运算模型,同时还显示出量子计算巨大无比
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