量子计算的概念范文

导语：想要提升您的写作水平，创作出令人难忘的文章？我们精心为您整理的5篇量子计算的概念范例，将为您的写作提供有力的支持和灵感！

篇1

量子计算机是大势所趋

所谓量子计算机，简单来说就是利用量子携带信息、存储数据，遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。我们熟知的传统计算机的“心脏”依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总是有限的。

硅晶体管作为在芯片上传输信息、处理信息的微型开关，每年都在缩小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸缩小（现已达到纳米级）将限制性能的提升。所以，对晶体管进行传统的尺寸的扩展和收缩操作，不能再产生行业已经习惯的更低功耗、更低成本、更高速度的处理器的效果。虽然英特尔的22纳米处理器已经面世，还计划于2013年推出14纳米处理器，对于10nm、7nm以及5nm的制程研发路线图也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的负10次方米以下，就会明显出现量子特性，所以大部分物理学家坚持认为，摩尔定律不可能无限维持。

为了突破这道瓶颈，

IBM一直致力于研发碳纳米管芯片，其研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，从而能够获得比硅质器件更快的运行速度。IBM声称这一成果有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效。但是，如何获得高纯度的碳、如何实现完美的制造工艺又是不可避免的问题。

因为量子计算机是利用量子携带信息的，所以，传统计算机面临的挑战恰恰是量子计算机的优势所在。量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定，根据量子力学原理，粒子的量子状态是不同量子状态的叠加。所以，量子计算机计算时采用的量子比特在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，传统计算机在运算中采用的传统比特在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这就是量子计算机与传统计算机最大的不同之处。由于量子叠加状态的不确定性，量子计算可以同时进行大量运算，它的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。所以，量子计算机是大势所趋。

实现方案众多

量子计算机以其独特的运算逻辑和强大的运算性能吸引了无数研究机构和科学家对其进行研究，也相继取得了一些成果。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，所以研制量子计算机，关键在于成功操控单个量子。相信大家一定对“薛定谔的猫”这一理论并不陌生，关在密闭笼子里的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是活着还是死亡。所以，处于宏观世界的我们如何才能够有效操控微观世界的粒子，是极大的难题。从理论上讲，量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

阿罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作；瓦恩兰的团队则利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁；IBM的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，依赖耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展，意欲基于微电子制造技术实现量子计算；美国普林斯顿大学物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大学圣巴巴拉分校的科学家利用电子的自旋特性，寻找到了操控电子的方法；利用声波和超导材料，也可以实现量子计算机的拓展；总部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银，柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而这正可以用来实现量子计算。

众多方法中，最值得一提的便是阿罗什和瓦恩兰的做法。阿罗什构造了一个腔，把单个光子囚禁在光腔里，实现量子的操控，再往腔里放入单个原子，使原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控它们的状态。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球，而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而且单个粒子在实验过程中还能保持量子的物理性质。

中国科学院院士郭光灿这样评价阿罗什和瓦恩兰的成就：量子计算这个领域已经取得了飞速发展，现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个离子，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的，此外，还会有各种各样的腔，比如光学腔、物体腔和超导腔等。现在做量子计算机，实际上就是做芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这一步能实现，量子计算机有希望在这方面实现实质性突破。

过程艰难 但前景乐观

自“量子计算机”的概念提出到现在的30年间，科学家们纷纷涉足，不管是在理论方面，还是实践方面，都取得了一些不可忽视的成就。

近几年来，量子计算机的领域更是全面开花，量子计算机不再是人们“只闻其名，不见其形”的概念型产品。英国布里斯托尔大学等机构以奥布赖恩为领导的研究人员更是在新一期美国《科学》杂志上宣布，成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片。奥布赖恩表示，利用这种芯片技术，10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

想要研制出实用的量子计算机，需要面临科学技术方面的多重挑战，其中最主要的两大障碍就是：如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。阿罗什和瓦恩兰给出的实验方法均成功地打破了这些障碍，实现了基础性的突破。近几年来，研究人员以他们的研究成果为出发点，不断探索，取得了快速进展，可谓前景乐观。

需要注意的是，量子计算机的出现会将网络安全置于非常危险的境地，给现有的社会和经济体系以及国防带来潜在威胁。目前大部分的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子，这是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而，量子计算机能够借助其强大的运算功能瞬间完成密码破译，这严重动摇了RSA公共码的安全性。

目前，量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具，娱乐价值似乎更高一些，但是在不久的将来，它一定能够引领计算机世界的潮流。

相关链接

量子计算机发展简史

1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念。

1985年，英国牛津大学的D. Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且证明了量子计算机比经典图灵计算机具有更强大的功能。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能够完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。

2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，它基本符合了量子力学的全部本质特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。

2009年，世界第一台通用编程量子计算机在美国国家标准技术研究院诞生。

2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。

篇2

量子计算机的速度能达到一亿亿次。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

（来源：文章屋网 ）

篇3

量子通信是加密概念，而不是传输概念，更不是什么超光速通信。

举一个简单的例子来说明。假设你有两个朋友，一个在广州，一个在北京，你自己则在中间的上海。你们三个人事先说好，你会随机给这两个朋友中的一个人寄一个苹果，另一个人寄一根香蕉。那么当你的广州朋友收到苹果时，他会瞬间知道你给北京朋友送的是香蕉。在你广州朋友打开盒子看到苹果的那一个瞬间，确实是以比光速还要快的速度获得了关于你北京朋友收到了香蕉的这个信息，但这个“信息”并非实际存在的信息，甚至接收到第一个信号还要依靠传统的邮寄运输模式。

当然真正的量子通信要远比两个水果复杂得多，但本质完全一样，量子通信从来不是超光速传递信息，而是无论采取何种方式都必须依靠经典通信技术参与，所以更无“颠覆”一说。

量子通信区别于经典通信，实质上是量子的“不可破解性”。比如上个例子中的“苹果”和“香蕉”，可以看成是两个纠缠起来了的量子，一个人拿到了其中一个，就可以判断出另一个。但如果不知道“苹果”和“香蕉”的纠缠关系，哪怕截获了整个苹果，也猜不出另一方收到的是什么水果。

在现实应用里当然没有两个水果那么简单，“苹果”会变成一个无穷复杂的量子，那么能和其对应的“香蕉”，就是另一个无穷复杂的惟一量子，两个量子就是“纠缠态”，所以量子通信里量子的用途，最终是保密而不是传输。

量子通信和量子计算

是两回事

量子技术在现实应用方面，一直有两大主要分支，第一是量子通信，第二是量子计算。这两者听上去也很容易混淆，但其实代表着完全不同的两种技术路数。总体来说，中美两国恰好是选择了两个不同的方向。

在量子通信产业化方面，中国无疑领先于美国。

量子通信的商用性主要就体现在数据保密上，比如，网上银行数据的远程灾备应用、金融机构信息数据的采集应用、金融信息交易应用以及银行同城数据生产和灾备应用等。目前量子通信里面研究的主要进展，就是把一对纠缠态量子之间的距离尽可能拉长。比如，中科大潘建伟院士团队实现的“多自由度量子隐形传态”研究，刚刚被评为2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首。潘建伟团队将量子之间的安全距离进一步扩展到了地面200千米以上，这在低耗能的太空意味着2千米的距离，量子通信卫星由此成为可能，下一步就是大规模量子网络。

但是美国为什么要搞量子计算？这和硅谷这几年全力投入机器学习和人工智能的风潮有关系。虽然量子计算的应用其实很受限，但和人工智能的核心部分却异常匹配，可能是未来真正强大的人工智能出现的基础。

篇4

中图分类号：N031 文献标识码：A

文章编号：1005-913X（2012）08-0163-01

一、引言

信息论或者称为通信的数学理论，是研究信息的传输、存储和处理的科学。Shannon信息论是其主要代表。而在量子世界里，信号的物理特性与其所传输的信息完全紧密联系，从而产生了量子信息论。近年来，量子密码技术、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学等方面都取得了很大进展[1]如今，光通信中有关信息论的相关理论已成为人们关心的课题。本文将对量子信息学在光通信中的应用进行分析和比较。

二、Shannon信息论

（一）信息熵的概念

Shannon从研究通信系统传输的实质出发提出了信息熵H（X）的概念 [2]

I（X；Y） = H（X）-H（X/Y） （1）

也可表示为：

■ （2）

（二）信道容量

信道容量C，它反应了信道传输信息的能力，是信道特性的参量。

C=max{I（X；Y）} （bit/event） （3）

Shannon对信道研究后发现由高斯信道可推导出Shannon公式[2]

C=Bln=Bln

■ （4）

N0是每单位频率的信噪比，B是带宽。

高斯信道中的信息量达到极限时[6]：

C=limB ln（1+S/（N0*W））=■lne=1.44■（bit） （5）

三、量子信息论

量子信息论采用与信息论相类似的方式向前发展。 [3] 在量子信息论中常用量子位或者量子比特表示信息单位。如|Ψ>=α|0>+β|1>（|α|2+|β|2=1），|Ψ>，又称为叠加态。

量子比特之所以与比特有如此大的差异是因为量子态是相互纠缠的。

（一）冯诺依曼（Von Neumann）熵

与经典信息论相似，量子信息论定义了冯诺依曼（Von Neumann）熵为：

S（ρ）=-Trρlogρ （6）

当组成混合态系统的每个纯态是相互正交时，（6）式退化为

S（ρ）=-Trρlogρ=■pilogpi （7）

冯诺依曼（Von Neumann）熵等于Shannon熵；而当各纯态相互不正交时，可证明系统的冯诺依曼熵将小于Shannon熵。

（二）量子信道与信道容量

在量子信息论中有三种信道容量概念：①无经典辅助条件下传输完整量子信息的信道容量Q（N）②只传输经典信息时的信道容量C（N）③在一般信道辅助下传输量子信息的信道容量Q2（N）。Q（N）与C（N）的定义形式相同；如Q（N）定义为：对于任意大的n和任意小的ε，当n个量子比特的每个量子态|φ>经过编码、信道传输和解码后的保真度都大于1 -ε 时的量子信道的最大传输速率；用数学公式可精确地表示为

Q（N）=■■sup{■：■m，E，D

■ψ∈H2n>1-ε （8）

但是，对于绝大多数的有噪声量子信道，这种容量并不能计算出具体值，而仅是一个取值范围。

在信息论中，Q（N）可通过干信息来描述，而C（N）完全由可获信息来确定。

四、光纤通信中的信息量

在光量子信道中，对于频率fi，输出信号的平均量子数为

yi=xi+ni （9）

假设xi与ni 统计独立。设xi，ni，yi的概率密度函数为p（xi），p（ni），p（yi），则p（yi/xi）=p（ni）。[5]在特定频率fi上，光量子信道的平均互信息[4]

I（yi；xi）=H（yi）- H（ni） （10）

因为固定时间间隔t，t=■，所以单位时间内的平均互信息

I（X；Y）=■■I（yi；xi）=H（Y）-H（n） （11）

在fi上，假设接收信号的光量子的离散能谱为

EI=hfi （h是普朗克常数） （12）

由于热辐射，光量子的波动服从Gibb分布

P（ni）=■ （13）

可得光量子的波动引起的噪声熵

H（nI）=π2Kt/3hln2 （14）

由（12）式，可得单位时间内信号的平均能量

S=EI=■■■xi ρ（xi）hfi （15）

而输出信号的平均功率是

■■■yi ρ（yi）hfi

=S+■■■ni ρ（ni）hfi （16）

所以，对于窄带的光量子信道，带宽f

就等于Shannon信道容量公式。

五、结束语

Shannon信息论是一套数学理论，而在物理效应非常明显的量子世界里讨论信息问题时，量子信息论起着支柱作用。它的实用性在量子密码通信和量子计算机已经初步实现。[7]现代信息论的理论与方法变得更加全面和深刻。必将在包括光通信在内的广阔通信领域发挥重要作用。

参考文献：

篇5

大量研究表明,目前为止的实验已经给出物质世界准确信息,物理学重要任务之一就在于找出这信息并揭示其内在规律。遗憾的是,目前为止的理论(无例外)均未能如此。然而国内外学界却一致认为理论物理大厦框架——《量子力学》已经建成,剩下只是装修和美化了。

但经本文研究表明,《量子力学》对一些基本物理学问题的实质并不清楚,往往似是而非。然而《量子力学》却娓娓动听、夸夸其谈,实则以其昏昏使人昭昭!请看事实:

1.1 关于“量子化”根源问题。

微观世界“量子化”已被证实,人们已经公认。但接踵而来的就是“量子化”根源问题,又机制怎样?这本是物理学根本任务之一。已有的理论包括爱因斯坦、玻尔、量子力学都未能回答。然而量子力学家们却置这本职任务于不顾,翩翩起舞与数学喧宾夺主、相互玩弄!

就是说,《量子力学》是在未有弄清量子化根源前提下侈谈“量子”的“科学”。其结果只能使原子结构凭空量子化,量子化则成为无源之水,无本之木。这就是目前物理科学之现状!

可有人,例如一位量子力学教授辩论时说:“量子化是电子自身固有属性,阴极射线中的电子能量也是量子化的”。

虽然,这量子力学家利用了“微小量子”数学“极限”概念进行诡辩,显得很聪明,但却误了人类物理学前程!

不可否认的事实是:阴极射线中的电子、X射线韧致辐射电子、高能加速器中电子或其它自由电子能量都连续可变,决不表现量子化!这无疑表明量子化不是电子自身固有属性。那末,原子结构中能量量子化必有其它原因。显然这是基本物理学问题,作为理论物理又是非弄清不可的问题。其它科学例如数学,由于任务不同尚可不必关心量子化根源问题。然,作为理论物理决不可以!本文如下将准确具体讨论量子化根源问题以及物质世界又怎样量子化的,并给出8位数字有效精度与实验完全相符的计算结果。 1.2 理论与实践关系问题

既然凭空将电子能量量子化,就难免臆造之嫌,所以《量子力学》就下意识往实验上靠――“符合”试验。然而,既下意识就难免拙劣,请看事实:

世界着名理论物理第六册——《量子力学》(文献 [1]) 中着:“量子力学,可建立于数个基本假定上,大体上这些基本假定分属两大项……,两项的假定便构成一量子力学完整系统”。

这明确表明,量子力学就是建立在基本假定上的(种种猜测)。“科学学”研究还表明:任何建立在基本假定上的东西都不可能是科学!然而量子力学家们却娓娓动听说:“量子力学是建立在实验基础上的科学”。这不是弥天大谎么?!

文献 [1] 在建立对易关系:

pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)

时说:“这是一基本假定”。并告诫人们:“不可懂”!就是说(1)式不能用任何数学——物理方法导出,即:不否认这是一种猜测。然而,(1)式就是昭着世界的“波动方程”的基础,也就是量子力学的理论基础。

所以确切地说,量子力学就是建立在基本假定上的种种猜测。这分明表现的是量子力学家们主观意识!

研究表明,量子力学所谓实验基础,首先在于德布罗意“物质波”理论。认真研究表明,物质波究竟是什么?德布罗意本人未有弄清,后人至今仍未弄清,又怎能说“建立在实验基础上”呢?!

研究表明,量子力学的实际过程是:德布罗意对自然现象进行一次连他自己也弄不清的抽象(猜测)(以下证明),提出“物质波”概念。量子力学对这不清的概念又进行一次抽象(猜测)(以下证明),提出“波函数”(Ψ)概念,并且通过一种算符将其作用到一个基本假定即(1)式上,便铸成了着名的“波动方程” ——量子力学的理论基础:

(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)

由于量子力学凭空引进“波函数Ψ”,实际上就赋予了电子神奇性质。正是这种神奇性质使得量子力学具备了非凡诡辩能力。

1.3 量子力学诡辩伦理

1.3.1 关于理论基础诡辩

以上及以下讨论都证明,量子力学是,由于缺乏了解,错误地估计了试验(以下严格证明),用了错误的基本假定(不能由任何合理方法导出)而形成的,错误理论。然而量子力学家们却口口声声:“量子力学是建立在实验基础上地科学”。这分明是在诡辩,再加上社会意识,量子力学又具备了狡辩能力。 1.3.2 关于物质波的狡辩

对于“物质波”概念,量子力学 [1] 应用了三个基本假定:其一假定“对易关系”即(1)式,由此构成量子力学骨架;其二假定“测不准原理”,由此编造了电子“几率云”图像;其三假定“波粒互补原理”,这种原理本身就是一种诡辩,因为“波粒二象性”问题目前仍属困难不解的世界性难题。于是量子力学精心泡制出“波函数Ψ”并强加给电子。经如此之假定,电子便具备了神奇性质——量子力学家们的主观意识。

然而“波函数”的物理意义究竟是什么?量子力学家们着实应向人们交代清楚,遗憾的是任何学家都未能如愿。实际上对波函数Ψ的真实物理意义,量子力学家们也只是:你知、我知、天知、地知,凡人不可知。这分明是狡辩理论!

如果需要,量子力学(文献 [1])首先拿出:

2πa=n ―――――――――――――― (3)

很明显式中 2πa是粒子中心轨迹。于是说,物质波是粒子轨迹波动。此说极易征服初学者,但此说问题也易败露。量子力学立即改变说法,言(3) 式系近代物理概念,对此不能用经典概念理解。于是又出现:

1.3.3 关于“经典”与“近代”狡辩

量子力学经常炫耀是近代科学理论,已经超脱经典,又不时贬低经典理论。

然而,以下讨论完全证明:量子力学除了主观臆造因素外,完全没有离开经典物理一步,也未超出经典物理一点,就连波函数 Ψ 的表达式(无例外)也完全是经典数学和经典力学关系式,并且以下用不可否认的事实——量子力学所犯经典错误,表明量子力学连经典理论也不通。所以,量子力学所谓超脱经典,正在于一些基本假定连同主观臆造。在此种意义上说,量子力学不仅超脱经典,而且也超脱科学! 1.3.4 量子力学方法论狡辩

确切说,量子力学不能给波函数 Ψ 做出完整的真实物理学定义,但在理论中却轮番使用: ①波函数 Ψ 表示粒子中心轨迹波动;②波函数 Ψ 表示粒子出现几率;③波函数 Ψ 表示弥撒物质波包三种概念。有了三种概念,又可各取所需,自然一切物理问题都“迎刃而解”了。

然而,量子力学同时又“有权”轮番否定这三种概念。但却不是自我否定,而是另一种需要——否定其它理论,其中包括真理。要指出的是,量子力学轮番使用三种概念,又轮番否定这三种概念,并不是在同一时间同一地点进行的。因为应用一种概念的同时又否定这种概念,这是卖矛又卖盾的故事,连儿童都知道是蠢事。显然量子力学家比儿童高明得多,这叫认识方法狡辩。

似这样,在哲学面前,用“建立在实验基础上”量子力学可以蒙混过关;其它科学由于研究任务不同,不会关心“量子化”根源,又由“领地”限制也无权过问波函数的真实意义;量子力学又可各取所需轮番应用和轮番否定①、②、③三种概念。于是,量子力学便以狡辩赢得了世界理论权威!

1.4 关于“符合”试验问题

以下将证明,量子力学所谓符合实验,实际上系对实验的猜测。量子力学很善于做貌似合理实则谬误的猜测(以下揭示),并美其名曰“符合”试验。其实,对实验的真实物理过程并不清楚,又何谈相符呢?请看事实:

基于玻尔理论的成功,量子力学作两项重要推广。 心理学原因,人们对这种推广又愿意接受。然而却出现本质性原则错误,请看:

1.4.1 量子力学推广(一)

由于氢原子的试验电离能与玻尔理论真实能级相近,于是量子力学推广为:

试验电离能 = 原子真实能级 ―――――――――― (4)

将该式推广到多电子原子中显然很省力气,但这是严重错误。请看氦原子事实:

试验(文献[1])测得氦原子两个电离能,这里分别用 E1,E2 表示为:

E1= 1.80(Rhc) = 24.58(ev) ―――――――― (5)

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――――― (6)

量子力学[1]认为这就是氦原子的两个真实能级。

若用 E玻 表示类氢氦离子基态能玻尔理论值,则

E玻 = 54.42(ev) ――――――――――――― (7)

显然下式成立:

E2 = E1+ E玻 ―――――――――――――― (8)

该式明确表明 E2 不是氦原子的真实能级,因为其中包含有 E1 ,即第一电离能。

那么,实验值 E2 即(8)式表示什么物理内容呢?

研究表明:要使氦原子第二电子电离,仪器必先付出能量 E1=24.58(ev) 先使第一电子电离,这好比代价,氦原子于是变成类氢氦离子,其基态能为 E玻=54.42(ev)。要使它电离,仪器必须再付出与 E玻 相等的能量,才能使第2电子电离。那么仪器付出总能量必为 E2=E1+E玻,这就是氦原子电离实验真实过程,由此不难结论:

1.4.2 据电离实验本文结论

电离实验结论一:氢原子及类氢氦离子玻尔理论值正确。

电离实验结论二:目前电离能实验值 ≠ 原子真实能级。

电离实验结论三:所有元素最低能级皆为其类氢离子能级,不存在比这更低的能级。 然而量子力学(文献[1]、[3])却竞相用“微扰法”、“变分法”乃至用修正核电荷方法逼近计算这氦原子的“能级”E2 :