2024年4月23日发(作者：苦长霞)
第２９卷第３期
泰山学院学报
Ｖｏｌ． ２９ ＮＯ， ３
２００７年５月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＡＩＳＨＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｍａｙ． ２００７
信息科学的未来—量子计算机
徐成志
（泰山学院信息科学技术系，山东泰安２７１０２１）
［摘要」阐述了女子计算机产生的背景及目前发展状况，分析了量子计算机的基本原理及全子平行计
算在信息处理上的优势．
〔关键词〕童子比特；图灵机；童于平行
【中图分类号］ ＴＰ３１１．１３２．２【文献标识码】Ａ【文章编号】１６７２ － ２５９０ （２００７） ０３ － ００６０一０４
电子计算机集成电路的集成度，大约以每３年翻两番的速度发展．当存储器达到１０２４兆位时，集成
电路的线宽度将细到０．１微米，就是千万分之一米，这样的电路被认为是集成电路的发展极限．当电路
比这更细时，现有电子元件将失去工作的理论基础，因为电子作为一种微小粒子，具有“波粒二象性”，会
出现新的物理现象，称为量子效应．利用量子效应工作的电子元件称为量子元件，利用量子元件和量子
算法设计的计算机称为量子计算机．
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，目的是为了解决计算机中的能耗问题［１１．２０世纪６０
年代至７０年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计
算机的运行速度．研究发现，能耗来源于电子计算过程中的不可逆操作．‘：一几
进人２０世纪９０年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能．尤其值得一提
的是１９９４年美国贝尔实验室的Ｐｅｔｅｒ Ｗ． Ｓｈｏｒ（新泽西ＡＴ＆Ｔ贝尔实验室的数学家、计算机专家）证明运
用量子计算机量子中的并行算法竟然能有效地进行大数的因式分解．这意味着以大数因式分解算法为
依据的电子银行、网络等领域的ＲＳＡ公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击．１９９７年Ｌ． Ｋ．
Ｇｒｏｖｅｒ（美国贝尔实验室的数学家、计算机专家）提出“量子搜寻算法”，可以破译ＤＥＳ密码体系．于是各
国政府纷纷投人大量的资金和科研力量进行量子计算机的研究，如今这一领域已经形成一门新型学科
—量子信息学．
１量子计算机研究中几个相关概念
１．１光量子
量子代表了人类认识微观世界的核心观念，它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波
与场所具有的粒子性特征．以量子力学为中心的现代量子理论，完整地描述了微观世界的量子行为．光
量子是量子世界中的一名成员，具有基本能量（动量）单元．
１．２盆子平行
‘一个一位的存储器能储存数字
０和１．这些存储器的共同特点和局限就是
：，在一个特定的时刻只能
储存一个数字．量子状态下，一个量子重叠态运行１个量子位同时储存０和１．
三百个量子位能同时储存
多于１０＇０个数字．而且对这些数字的计算也可以同时进行，这就是“量子平行”．二
〔收梢日期７２＋”一。１－０５
［作者简介Ｉ徐成志（１９６１
一）．男，山东泰安人，泰山学院信息科学技术系教授．
第３期
徐成志：信息科学的未来—量子计算机
１．３量子比特《ｑｕｂｉｔ ）、
现代计算机都按照相同的基本原理工作， 通过操纵代表一位信息（ｎ０＂或”１）的每个晶体管执行计
算，它们代表了现代计算机的比特位．量子计算采用量子位．按照量子物理的观点，它可以同时为”０＂或”
１＂．而量子计算机则操纵着量子位，我们称之为量子比特（ｑｕｂｉｔ） ．
１．４全子陷阱
量子代表了人类认识微观世界的核心观念， 它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波
与场所具有的粒子性特征．作为量子存在于物质内部，很难向宏观物质一样被人们所单独利用，为了达
到被人们应用的目的，人们就需要设计约束量子的“手段”，这就是“量子陷阱”．
１．５ Ａ子算法
・量子位可以用任何二本征态的量子系统来实现，量子位处于叠加态时包含了所有组成态的信息，将
算符作用在这种叠加态上，就相当于同时对其所有组态进行操作，从而实现了量子算法．
２量子计算机的基本原理
笼 ；，
量子计算机遵循着量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理（量子算法）的机器．我
们目前所使用的电子计算机，代表了近年来技术进步的顶点，而这个技术进步萌芽于查尔斯．巴贝奇
（Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂａｂｂａｇｅ １７９１一１８７１）的早期思想，并且以德国工程师康拉德・祖斯（Ｋｏｎｒａｄ Ｚｕｓｅ）于１９４１年创造
出第一台计算机为开端．二
．量子计算机和传统计算机之间的一个关键的区别是： 传统计算机遵循着经典物理规律，而量子计算
机则是遵循着量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式．在量子计算机中，基本
信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列．量子计算机是遵循量子力学规律（硬件实现）进行高速
数学（量子并行算法实现）和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置．量子计算本质的特征为量子叠
加性和相干性．量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时
完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果一
２．１盆子计算机的物理构造及实验方案
量子图灵机类似于经典概率图灵机，量子图灵机的性质由概率振幅函数确定．正因为现在的运算结
果不再按概率叠加，而是按概率振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起本质性的作用，这是实现
量子并行计算的关键．量子图灵机是一个抽象的数学模型，如何在物理上构造出量子计算机呢？理论上
已证明，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来构成量子计
算机．量子逻辑门按其输人比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等．
・因为量子逻辑门是可逆的， 所以其输人和输出比特数相等．量子逻辑门对输人比特进行一个确定的
么正变换，得到输出比特．利用原子和光腔的相互作用、利用冷阱束缚离子或利用电子或核自旋共振，在
已实现的方案中，以冷阱束缚离子方案最为成功．
Ｇｅ ｒｓｈｅｎｆｅｌｄ（美国ＭＩＴ比特和原子”ＣＢＡ”中心的主任）等指出，利用宏观样品的自旋共振，经适当操
作，也可以用来实现量子逻辑门，这种方案稳定性好，在理论上被认为很有前途。实验上，美国的ＭＩＴ和
Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ小组已实现包含３个量子比特的自旋系统，并成功地执行了１ ＋１＝２的运算．由此，量子计算
机不只是理论上的探讨，已进人了实验制造阶段．
２．２量子计算机并行算法在信息处理上的优越性
量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上．因为量子并行处理，一些利用经典计算机只存
在指数算法的问题，利用量子计算机却存在量子多项式算法，这方面最著名的一个例子是Ｓｈｏｒ在１９９４
年给出的关于大数因子分解的量子多项式算法，由此可见量子平行算法在处理方面的优越性．
费曼（ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｆｅｙｎｍａｎ美国物理学和数学家）是首先认识到利用量子重叠解决问题要比传统计算机
处理信息问题快的多的人之一例如，一个５００ｑｕｂｉｔ的系统，这是传统计算机无法模拟的，这个系统代表
泰山学院学报
第２９卷
了２５００个量子重叠态．每一个状态都可以等同于传统计算机中的５００个０和５００个１．这个结果是由于
通过重叠产生的大量量子平行产生的响应，而这相当于利用具有１０１５０个独立处理器的传统超级计算
机所进行的运算结果［［２］一
关于量子计算机在信息处理上的巨大威力， 我们可以举一个例子来说明，分解一个有４００个数字的
合数是解码史上的一项壮举，即使用现存最快的超级计算机计算也需要几百万年的时间．但是用量子计
算机完成这项任务可能只需要一年左右，因此使用量子计算机可以破解现在使用的最复杂的加密算法．
现在说来那些使用了目前加密算法的数据还是安全的，因为目前量子计算机处于实验阶段．、。
３量子计算机存在的问题及其克服途径
量子计算的优越性主要体现在量子并行处理上，量子并行计算和量子模拟，基本上地利用了量子相
干性．量子计算机中，执行运算的量子比特不是一个孤立系统，它会与外部环境发生相互作用，其作用结
果即导致消相干，结果分析表明，量子相干性的指数衰减不可避免．
Ｓｈｏ ｒ在此方向取得一个本质性的进展，这就是量子纠错的思想．量子纠错是经典纠错码的量子类
比．经典计算机解决此问题，采取的是冗余编码方案．我们以最简单的重复码来说明其编码思想．如果输
人Ｉ比特信号０，现在可通过引人冗余度将其编码为３比特信号０００，如果在存储中，３比特中任一个比
特发生错误，如变成００１，则可以通过比较这３比特信号，按照少数服从多数的原则，找到出错的比特，并
将其纠正到正确信号０００．这样虽然在操作中有一定的错误率．计算机仍然能进行可靠运算．Ｓｈｏｒ的编码
就是这种思想的量子类比，但在量子情况下，问题变得复杂得多．量子运算不再限制于态１０＞和Ｉ１＞，而
是二维态空间中的所有态，因此量子错误的自由度也就大得多．但Ｓｈｏｒ却给出了一个完全新颖的编码，－
他利用９个量子比特来编码１比特信息，通过此编码，可纠正９个比特中任１比特所有可能的量子错
误．Ｓｈｏｒ的结果极其振奋人心，在此基础上，，各种量子纠错码接二连三地被提出．最新的结果表明，在量
子计算机中，只要门操作和线路传输中的错误率低于一定的闭值，就可以进行任意精度的量子计算．这
些结果显示出，在通往量子计算的征途上，已经不存在任何原则性的障碍［［；
介奄
４量子计算机的研究
基于量子动力学的计算设备的设想首先在１ ９世纪７０年代和１９世纪８０年代，由物理学家和计算机
科学家，例如ＩＢＭ Ｔｈｏｍａｓ Ｊ Ｗａｔｓｏｎ研究中心的Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈ． Ｂｅｎｎｅｔｔ，伊利诺伊州Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室的Ｐａｕｌ
Ａ． Ｂｅｎｉｏｆ，牛津大学的Ｄａｖｉｄ Ｄｅｕｔｓｃｈ和加利福尼亚理工学院的Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐ． Ｆｅｙｎｍａｎ提出．当科学家们意
识到传统计算机的局限性时，这个想法就开始出现．他们认识到如果在技术上仍然遵循摩尔定律，那么
硅片上的集成电路最终将会缩小到一点．这就导致了一个问题的出现，在原子级别支配着电路的行为和
性质的物理规律是量子动力学，而不是经典物理定律．是否能设计一台新的建立在量子物理规律基础上
的计算机．
４．１量子运算的提出
Ｆｅ ｙｎｍａｎ就是试图解决这个问题的一位科学家，他在１９８２年制造了一个抽象的模型，该模型示范了
如何利用量子系统做运算．他也解释了这样一个机器如何用作量子物理学的模拟器进行运算．物理学家
将能够在一个量子计算机内完成对量子物理学实验的模拟二‘一花・’“”
直到Ｓ ｈｏｒ在１９９４年传播他的一篇预印刷的论文为止，在该论文中他陈述了一个使用量子计算机解
决一个重要的数字理论问题的方法，命名为因数分解．表明一个特别为量子计算机设计的整体数学运算
可以使得这个机器以极快的速度把巨大的数字分解因式，这个速度比传统计算机的速度快得多．随着这
个突破，对量子计算机的兴趣不再只局限于学术界，而是引起了全世界各领域人士的广泛关注、
４．２实验室中的量子计算机
１ ９％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
第３期
徐成志：信息科学的未来—量子计算机
计算机的先驱之一，Ｂｅｎｎｅｔｔ在英国《自然》杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进人工程时代．
１ ９９９年１０月，美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室的科研人员利用量子学理
论，研制出了量子计算机运算器的雏形，其运算速度是目前的上千倍．，、，‘、
２０００年，量子电脑研究捷报频传．先是郭光灿领导的中科院知识创新工程开放实验室成功研制出４
个量子位的演示用量子电脑．之后，美国ＩＢＭ公司又推出５个量子位的演示用量子电脑．
２０ ０１年，ＩＢＭ阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界上最复杂的量子计算机运算．他们
在试管中将整个经过特殊设计的分子制作成一个７量子位（ｑｕｂｉｔ ）量子计算机．
４．３量子纠错理论
Ｓｈ ｏｒ提出大数的因子分解的量子算法后，基于量子并行处理的一些超快速算法接连地被发现，现在
已形成一门新的研究领域：量子复杂性理论。另一方面，量子计算机中消相干的克服，在理论上和实验上
都是人们最关注的问题，量予纠错方案被寄予高度厚望，在１９９６年量子纠错理论成为研究中最热门的
课题，最终被Ｓｈｏｒ的量子类比法完成了量子纠错理论，
４走出实验室的量子计算机
加拿大Ｄ一Ｗａ ｖｅ公司于２００７年已成功研制出一个具有１６量子比特的“猎户星座”量子计算机．Ｄ－
Ｗａｖｅ公司于今年２月１３日和２月１５日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机．量子
计算机在实验室中只能成功运算数千次，稳定度仍然不够．Ｄ － Ｗａｖｅ公司目前设计的１６量子比特计算
机是用贵金属妮制成，并且须在零下２７３Ｋ下运行．由此可见量子计算机研制已见曙光〔４１
５我国对量子计算机的研究‘！、・，
中国科学院院士、我国量子通信与量子信息技术首席科学家郭光灿教授预言：１５年到２０年后，世
界首台量子计算机将有望研制成功。郭光灿院士指出，近年来，我国在量子技术研究方面先后取得了卓
越成果，在量子密码、量子因特网等方面的研究水平已与国际相当，有的甚至超出了国际水平．不过，目
前我们还处于量子的基础研究阶段．在世界范围内，量子计算机的研究也遇到一些困难，可能要到巧年
至２０年后才能逐渐发展成熟、投入应用，进而成为一个新兴产业．由郭光灿院士领导的课题小组此前在
国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了１２５公里单向量子密钥
分配．这是迄今为止国际公开报道的最长距离的实用光纤量子密码系统［［ｓ１
〔参考文献〕
［１〕上海科技网量子什算机〔ＯＬＩ． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ｓｔ。二．ｇｏｖ．ｃｎ／ｌｅａｍｉ呵ｌｅｓｓｏｎ／ｘｉｎｘｉ／ｌｅｓｓｏｎ．ａｓｐ．２００３ － ０４ － ０１．
［２〕上海科学网：量子计算机性能与作用〔ＯＬ］ ． ｈｔｔｐ： ／／ｗｗｗ． ｓｔｃｓｍ． ｇｏｖ． ｃｎ／ｌｅａｍｉｎｇ／ｌｅｓｓｏｎ／ｘｉｎｘｉ／ｌｅｓｓｏ。一２．ａｓｐ．２００３一０４一０１．
［３１段路明等．中科大量子信息实验室网．量子计算机［ ＯＬ］ ｈｔｔｐ：／／ｌｇｃｃ． ｕｓｔｅ． ｅｄｕ． ｅｎ
［４〕杜华斌．全球首台量子电脑在加拿大诞生［０Ｌ］．新浪网．ｈｔｔｐ： ／／ｔｅｃｈ ． ｓｉｎ．． ｃｏｍ ． ｃｎ／２００，一０２－１７．
［５１新华网．我国科学家预言量子计算机１５年后有望问世〔ＥＢ／ＯＬＩ ． ｈｔｔｐ： ／／ｎｅｗｓ３． ｘｉｎｈｕｓｎｅｔ． ｃｏｍ／ｓｔ／２００６ － ０１一０５．
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ： Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＸＵ Ｃｈｅｎｇ一ｚｈｉ
（Ｄｅ ｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｔａｉｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔａｉ ＇ ａｎ ２７１０２１， Ｃｈｉｎａ ）
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ
ｓｔａｔｅ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，
ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏ－
Ｓ８
ｎｇ
．
Ｋ
ｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ：ｑｕｂｉｔ；Ｔｕｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｑｕａｎｔｕｍ ｐａｒａｌｌｅｌ
４．
ｃｅ
2024年4月23日发(作者：苦长霞)
第２９卷第３期
泰山学院学报
Ｖｏｌ． ２９ ＮＯ， ３
２００７年５月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＡＩＳＨＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｍａｙ． ２００７
信息科学的未来—量子计算机
徐成志
（泰山学院信息科学技术系，山东泰安２７１０２１）
［摘要」阐述了女子计算机产生的背景及目前发展状况，分析了量子计算机的基本原理及全子平行计
算在信息处理上的优势．
〔关键词〕童子比特；图灵机；童于平行
【中图分类号］ ＴＰ３１１．１３２．２【文献标识码】Ａ【文章编号】１６７２ － ２５９０ （２００７） ０３ － ００６０一０４
电子计算机集成电路的集成度，大约以每３年翻两番的速度发展．当存储器达到１０２４兆位时，集成
电路的线宽度将细到０．１微米，就是千万分之一米，这样的电路被认为是集成电路的发展极限．当电路
比这更细时，现有电子元件将失去工作的理论基础，因为电子作为一种微小粒子，具有“波粒二象性”，会
出现新的物理现象，称为量子效应．利用量子效应工作的电子元件称为量子元件，利用量子元件和量子
算法设计的计算机称为量子计算机．
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，目的是为了解决计算机中的能耗问题［１１．２０世纪６０
年代至７０年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计
算机的运行速度．研究发现，能耗来源于电子计算过程中的不可逆操作．‘：一几
进人２０世纪９０年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能．尤其值得一提
的是１９９４年美国贝尔实验室的Ｐｅｔｅｒ Ｗ． Ｓｈｏｒ（新泽西ＡＴ＆Ｔ贝尔实验室的数学家、计算机专家）证明运
用量子计算机量子中的并行算法竟然能有效地进行大数的因式分解．这意味着以大数因式分解算法为
依据的电子银行、网络等领域的ＲＳＡ公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击．１９９７年Ｌ． Ｋ．
Ｇｒｏｖｅｒ（美国贝尔实验室的数学家、计算机专家）提出“量子搜寻算法”，可以破译ＤＥＳ密码体系．于是各
国政府纷纷投人大量的资金和科研力量进行量子计算机的研究，如今这一领域已经形成一门新型学科
—量子信息学．
１量子计算机研究中几个相关概念
１．１光量子
量子代表了人类认识微观世界的核心观念，它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波
与场所具有的粒子性特征．以量子力学为中心的现代量子理论，完整地描述了微观世界的量子行为．光
量子是量子世界中的一名成员，具有基本能量（动量）单元．
１．２盆子平行
‘一个一位的存储器能储存数字
０和１．这些存储器的共同特点和局限就是
：，在一个特定的时刻只能
储存一个数字．量子状态下，一个量子重叠态运行１个量子位同时储存０和１．
三百个量子位能同时储存
多于１０＇０个数字．而且对这些数字的计算也可以同时进行，这就是“量子平行”．二
〔收梢日期７２＋”一。１－０５
［作者简介Ｉ徐成志（１９６１
一）．男，山东泰安人，泰山学院信息科学技术系教授．
第３期
徐成志：信息科学的未来—量子计算机
１．３量子比特《ｑｕｂｉｔ ）、
现代计算机都按照相同的基本原理工作， 通过操纵代表一位信息（ｎ０＂或”１）的每个晶体管执行计
算，它们代表了现代计算机的比特位．量子计算采用量子位．按照量子物理的观点，它可以同时为”０＂或”
１＂．而量子计算机则操纵着量子位，我们称之为量子比特（ｑｕｂｉｔ） ．
１．４全子陷阱
量子代表了人类认识微观世界的核心观念， 它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波
与场所具有的粒子性特征．作为量子存在于物质内部，很难向宏观物质一样被人们所单独利用，为了达
到被人们应用的目的，人们就需要设计约束量子的“手段”，这就是“量子陷阱”．
１．５ Ａ子算法
・量子位可以用任何二本征态的量子系统来实现，量子位处于叠加态时包含了所有组成态的信息，将
算符作用在这种叠加态上，就相当于同时对其所有组态进行操作，从而实现了量子算法．
２量子计算机的基本原理
笼 ；，
量子计算机遵循着量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理（量子算法）的机器．我
们目前所使用的电子计算机，代表了近年来技术进步的顶点，而这个技术进步萌芽于查尔斯．巴贝奇
（Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂａｂｂａｇｅ １７９１一１８７１）的早期思想，并且以德国工程师康拉德・祖斯（Ｋｏｎｒａｄ Ｚｕｓｅ）于１９４１年创造
出第一台计算机为开端．二
．量子计算机和传统计算机之间的一个关键的区别是： 传统计算机遵循着经典物理规律，而量子计算
机则是遵循着量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式．在量子计算机中，基本
信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列．量子计算机是遵循量子力学规律（硬件实现）进行高速
数学（量子并行算法实现）和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置．量子计算本质的特征为量子叠
加性和相干性．量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时
完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果一
２．１盆子计算机的物理构造及实验方案
量子图灵机类似于经典概率图灵机，量子图灵机的性质由概率振幅函数确定．正因为现在的运算结
果不再按概率叠加，而是按概率振幅叠加，所以量子相干性在量子图灵机中起本质性的作用，这是实现
量子并行计算的关键．量子图灵机是一个抽象的数学模型，如何在物理上构造出量子计算机呢？理论上
已证明，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来构成量子计
算机．量子逻辑门按其输人比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等．
・因为量子逻辑门是可逆的， 所以其输人和输出比特数相等．量子逻辑门对输人比特进行一个确定的
么正变换，得到输出比特．利用原子和光腔的相互作用、利用冷阱束缚离子或利用电子或核自旋共振，在
已实现的方案中，以冷阱束缚离子方案最为成功．
Ｇｅ ｒｓｈｅｎｆｅｌｄ（美国ＭＩＴ比特和原子”ＣＢＡ”中心的主任）等指出，利用宏观样品的自旋共振，经适当操
作，也可以用来实现量子逻辑门，这种方案稳定性好，在理论上被认为很有前途。实验上，美国的ＭＩＴ和
Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ小组已实现包含３个量子比特的自旋系统，并成功地执行了１ ＋１＝２的运算．由此，量子计算
机不只是理论上的探讨，已进人了实验制造阶段．
２．２量子计算机并行算法在信息处理上的优越性
量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上．因为量子并行处理，一些利用经典计算机只存
在指数算法的问题，利用量子计算机却存在量子多项式算法，这方面最著名的一个例子是Ｓｈｏｒ在１９９４
年给出的关于大数因子分解的量子多项式算法，由此可见量子平行算法在处理方面的优越性．
费曼（ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｆｅｙｎｍａｎ美国物理学和数学家）是首先认识到利用量子重叠解决问题要比传统计算机
处理信息问题快的多的人之一例如，一个５００ｑｕｂｉｔ的系统，这是传统计算机无法模拟的，这个系统代表
泰山学院学报
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了２５００个量子重叠态．每一个状态都可以等同于传统计算机中的５００个０和５００个１．这个结果是由于
通过重叠产生的大量量子平行产生的响应，而这相当于利用具有１０１５０个独立处理器的传统超级计算
机所进行的运算结果［［２］一
关于量子计算机在信息处理上的巨大威力， 我们可以举一个例子来说明，分解一个有４００个数字的
合数是解码史上的一项壮举，即使用现存最快的超级计算机计算也需要几百万年的时间．但是用量子计
算机完成这项任务可能只需要一年左右，因此使用量子计算机可以破解现在使用的最复杂的加密算法．
现在说来那些使用了目前加密算法的数据还是安全的，因为目前量子计算机处于实验阶段．、。
３量子计算机存在的问题及其克服途径
量子计算的优越性主要体现在量子并行处理上，量子并行计算和量子模拟，基本上地利用了量子相
干性．量子计算机中，执行运算的量子比特不是一个孤立系统，它会与外部环境发生相互作用，其作用结
果即导致消相干，结果分析表明，量子相干性的指数衰减不可避免．
Ｓｈｏ ｒ在此方向取得一个本质性的进展，这就是量子纠错的思想．量子纠错是经典纠错码的量子类
比．经典计算机解决此问题，采取的是冗余编码方案．我们以最简单的重复码来说明其编码思想．如果输
人Ｉ比特信号０，现在可通过引人冗余度将其编码为３比特信号０００，如果在存储中，３比特中任一个比
特发生错误，如变成００１，则可以通过比较这３比特信号，按照少数服从多数的原则，找到出错的比特，并
将其纠正到正确信号０００．这样虽然在操作中有一定的错误率．计算机仍然能进行可靠运算．Ｓｈｏｒ的编码
就是这种思想的量子类比，但在量子情况下，问题变得复杂得多．量子运算不再限制于态１０＞和Ｉ１＞，而
是二维态空间中的所有态，因此量子错误的自由度也就大得多．但Ｓｈｏｒ却给出了一个完全新颖的编码，－
他利用９个量子比特来编码１比特信息，通过此编码，可纠正９个比特中任１比特所有可能的量子错
误．Ｓｈｏｒ的结果极其振奋人心，在此基础上，，各种量子纠错码接二连三地被提出．最新的结果表明，在量
子计算机中，只要门操作和线路传输中的错误率低于一定的闭值，就可以进行任意精度的量子计算．这
些结果显示出，在通往量子计算的征途上，已经不存在任何原则性的障碍［［；
介奄
４量子计算机的研究
基于量子动力学的计算设备的设想首先在１ ９世纪７０年代和１９世纪８０年代，由物理学家和计算机
科学家，例如ＩＢＭ Ｔｈｏｍａｓ Ｊ Ｗａｔｓｏｎ研究中心的Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈ． Ｂｅｎｎｅｔｔ，伊利诺伊州Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室的Ｐａｕｌ
Ａ． Ｂｅｎｉｏｆ，牛津大学的Ｄａｖｉｄ Ｄｅｕｔｓｃｈ和加利福尼亚理工学院的Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐ． Ｆｅｙｎｍａｎ提出．当科学家们意
识到传统计算机的局限性时，这个想法就开始出现．他们认识到如果在技术上仍然遵循摩尔定律，那么
硅片上的集成电路最终将会缩小到一点．这就导致了一个问题的出现，在原子级别支配着电路的行为和
性质的物理规律是量子动力学，而不是经典物理定律．是否能设计一台新的建立在量子物理规律基础上
的计算机．
４．１量子运算的提出
Ｆｅ ｙｎｍａｎ就是试图解决这个问题的一位科学家，他在１９８２年制造了一个抽象的模型，该模型示范了
如何利用量子系统做运算．他也解释了这样一个机器如何用作量子物理学的模拟器进行运算．物理学家
将能够在一个量子计算机内完成对量子物理学实验的模拟二‘一花・’“”
直到Ｓ ｈｏｒ在１９９４年传播他的一篇预印刷的论文为止，在该论文中他陈述了一个使用量子计算机解
决一个重要的数字理论问题的方法，命名为因数分解．表明一个特别为量子计算机设计的整体数学运算
可以使得这个机器以极快的速度把巨大的数字分解因式，这个速度比传统计算机的速度快得多．随着这
个突破，对量子计算机的兴趣不再只局限于学术界，而是引起了全世界各领域人士的广泛关注、
４．２实验室中的量子计算机
１ ９％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
第３期
徐成志：信息科学的未来—量子计算机
计算机的先驱之一，Ｂｅｎｎｅｔｔ在英国《自然》杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进人工程时代．
１ ９９９年１０月，美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室的科研人员利用量子学理
论，研制出了量子计算机运算器的雏形，其运算速度是目前的上千倍．，、，‘、
２０００年，量子电脑研究捷报频传．先是郭光灿领导的中科院知识创新工程开放实验室成功研制出４
个量子位的演示用量子电脑．之后，美国ＩＢＭ公司又推出５个量子位的演示用量子电脑．
２０ ０１年，ＩＢＭ阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界上最复杂的量子计算机运算．他们
在试管中将整个经过特殊设计的分子制作成一个７量子位（ｑｕｂｉｔ ）量子计算机．
４．３量子纠错理论
Ｓｈ ｏｒ提出大数的因子分解的量子算法后，基于量子并行处理的一些超快速算法接连地被发现，现在
已形成一门新的研究领域：量子复杂性理论。另一方面，量子计算机中消相干的克服，在理论上和实验上
都是人们最关注的问题，量予纠错方案被寄予高度厚望，在１９９６年量子纠错理论成为研究中最热门的
课题，最终被Ｓｈｏｒ的量子类比法完成了量子纠错理论，
４走出实验室的量子计算机
加拿大Ｄ一Ｗａ ｖｅ公司于２００７年已成功研制出一个具有１６量子比特的“猎户星座”量子计算机．Ｄ－
Ｗａｖｅ公司于今年２月１３日和２月１５日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机．量子
计算机在实验室中只能成功运算数千次，稳定度仍然不够．Ｄ － Ｗａｖｅ公司目前设计的１６量子比特计算
机是用贵金属妮制成，并且须在零下２７３Ｋ下运行．由此可见量子计算机研制已见曙光〔４１
５我国对量子计算机的研究‘！、・，
中国科学院院士、我国量子通信与量子信息技术首席科学家郭光灿教授预言：１５年到２０年后，世
界首台量子计算机将有望研制成功。郭光灿院士指出，近年来，我国在量子技术研究方面先后取得了卓
越成果，在量子密码、量子因特网等方面的研究水平已与国际相当，有的甚至超出了国际水平．不过，目
前我们还处于量子的基础研究阶段．在世界范围内，量子计算机的研究也遇到一些困难，可能要到巧年
至２０年后才能逐渐发展成熟、投入应用，进而成为一个新兴产业．由郭光灿院士领导的课题小组此前在
国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了１２５公里单向量子密钥
分配．这是迄今为止国际公开报道的最长距离的实用光纤量子密码系统［［ｓ１
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Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ： Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＸＵ Ｃｈｅｎｇ一ｚｈｉ
（Ｄｅ ｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｔａｉｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔａｉ ＇ ａｎ ２７１０２１， Ｃｈｉｎａ ）
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ
ｓｔａｔｅ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，
ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏ－
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ｎｇ
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ｗｏｒｄｓ：ｑｕｂｉｔ；Ｔｕｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｑｕａｎｔｕｍ ｐａｒａｌｌｅｌ
４．
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