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计算机系统结构

量子计算机论文

量子计算机论文

目录

1．量子计算机的介绍2

1.1概念起源2

1.2需求来源2

1.2.1举例说明4

1.3预备知识7

1.3.1态叠加原理7

1.3.2量子纠缠态8

2.量子计算机的特点9

2.1经典计算机的运算过程9

2.2量子计算机的储存9

2.3量子计算机的逻辑门11

2.3.1量子逻辑门也是由三种基本逻辑门构成11

2.3.2量子逻辑门都是可逆的12

2.4量子计算过程13

2.4.1量子并行运算13

2.4.2量子测量：输出结果14

2.4.3量子纠缠态和相干性15

2.5量子计算机性能特点小结16

3量子计算的编码与纠错17

3.1消相干17

3.2量子编码与纠错17

3.2.1量子纠错的困难17

3.2.2量子纠错码18

4. 量子计算机应用展望20

4.1前景简介20

4.2商业化的道路23

4.3科研道路28

1．量子计算机的介绍

1.1概念起源

量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。量子计算机(quantum computer)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。

1.2需求来源

现在我们的生活离不开数字计算机。桌面电脑 、笔记本以及智能手机能够制作表格，观看流媒体视频、网络聊天以及3D虚拟现实。但是从它们的核心来看，所有的数字计算机都有共性，那就是它们仅仅都在按照特定的算法来进行计算。它们具有十分强大的运算能力(计算机能在一秒内完成几十亿次的运算)。正是由于计算机的强大的计算能力，我们才能够使用它们来完成一些非常复杂的问题。一个经典计算机的计算过程可以简单的用下图来表示：

图片来源 /en/dev-tutorial-intro.html

但是尽管经典计算机的计算能力非常强大，但是仍然有一些领域让经典计算机力不从心。比如图像识别，自然语言理解等。尽管近些年计算机科学家们在这些方面做了大量的研究工作，但是目前为止所有的方案都需要巨大的运算量，即使依赖于经典计算机的运算速度也显得力不从心，而且对于能源和空间的消耗也是客观的。

基于上面的考量，有必要设计一种新的计算机能够适应这种需要巨量运算任务。而源于可逆计算机研究的量子计算机的概念应运而生。

由于量子计算机实现了真正意义上的并行运算和随机计算，摆脱了经典计算机的冯诺依曼结构，所以在某一些领域相比较经典计算机有着无可比拟的优势。但是量子计算机无法取代经典计算机，因为在另外一些领域，量子计算机的表现并不好，甚至计算速度要低于经典计算机。 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机是为了克服计算机中的能耗问题。因此，相比经典计算机，量子计算机还具有能耗低的优点。

但是正如上面所说的，量子计算机的产生的目的并不是要替代经典计算机，而是为了弥补经典计算机在某些领域的不足。

1.2.1举例说明

我们来举一个例子，关灯游戏。这个游戏可以告诉我们为什么我们不能在一些领域使用经典计算机来求解。

关灯游戏的规则就是找到最佳的一组开关状态，下面是一张描述这个游戏的图示：

假设每个开关都有一个数字与之相联。我们称这个数位“偏爱值(bias value)”。你需要对每个开关选择开或者是关，我们规定开代表1，关代表-1 。你需要选择每个开关的状态(开/关)来使得每个开关的状态值乘以偏爱值的积的总和最小。

hi代表开关i的偏爱值，Si代表开关i的状态值，我们的目标就是使E最小

显而易见，当偏爱值是负数时我们应该选择开，当偏爱值是正数时我们应该选择关。

现在我们来使这个问题更复杂一些。在这些开关中某两个开关之间会有一个附加条件：在这两个开关中新加入一个偏爱值j，计算过程是将所有的开关的h*s的值相加然后再加上所有具有j的两个开关的状态值与j相乘的总和，使得总结果最小。

现在就变得非常复杂了。因为我们影响结果的因子不光是每个开关自身还包括了他的相邻开关。随着开关网络的扩大，这个任务会迅速变得非常复杂。

我们所能想到的唯一的解决办法就是穷举法。穷举出所有的可能结果。如果只是两个开关的话，情况非常简单，只有四种情况[ON ON], [ON OFF], [OFF ON] 和 [OFF OFF]。但是如果有更多的开关加入的话，可能的情况会呈指数增长：

可以看到，当达到100个开关时，情况就已经非常的多了。即使是对于现在的超级计算机，也是一个非常有挑战的任务----需要将所有的可能存储并将它们送到CPU运算-----这会花费非常多的时间。仅仅500个开关，