量子计算机片

张津星　王海宾　张天宇　路改强

[摘 要]人类的实践活动产生需求，并在具备了一定的技术条件后，就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步，但随着人类社会的不断发展，科学技术的不断进步，大数据、物联网、智能电网、网络安全等对计算机技术也在不断提出新的要求。在信息技术革命的新纪元中，在这个大数据时代，量子计算机无疑是这场革命的主要力量。

[关键词]高效 复杂 绝对安全

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0295-01

人类的实践活动产生需求，并在具备了一定的技术条件后，就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步，但随着人类实践活动的不断拓展，对计算机技术也在不断提出新的需求。现在得到广泛应用的电子计算机提高性能的一个重要途径，就是不断提高集成电路芯片的集成度。但是，受到芯片散热，器件工艺技术及制造成本等因素的制约，芯片集成度的持续提高将会遇到很大的困难，进而影响到计算机速度新的突破。因此量子计算机的研究和探索成为了当今计算机技术发展的一个重要趋势。

基于量子理论的量子计算机，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。量子计算机源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Qubit，是通过囚禁原子技术，降低原子温度让原子保持量子形态。量子的最大特点是其包罗万象，可以根据用户所提取信息而定。这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。量子计算机可同时处理0及1以上，只需3个Byte（字节）便可处理1600万项任务，理论上，现时最快的超级计算机需要花10亿年处理那极端复杂的排程运算，量子计算机只1分钟即可完成。

原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。对量子来说，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。

一、关于量子计算机在信息传输安全的问题

量子计算机对信息传输的帮助。“就是绝对的安全。”用量子加密通信就能保证绝对的安全！在光缆传输信息的时候，由单个光子作为信息的载体，携带所需的信息。因此从光子角度看。

尝试窃听信息

窃听信息首先就意味着光子被截获，接收方将无法获得信息。按照目前的科技水平，光子的捕获是可行的，但并不能达到窃听信息的目的。

2012年诺贝尔物理学奖得主阿罗什已经发现一种超高Q值的腔体，能够将光子存储在镜子之间，时间超过0.1秒。这就意味着人们对信息的截获，而且并不影响接收端的接受，因为网络信息的传输本身就存在延迟的问题，而且0.1秒人们的感官一般是感觉不到这种细微的差别的。同时这个代价是巨大的，只有著名的学术机构才可能拥有这套设备，并且在上万次的实验中才有可能成功一次。而且将光量子储存在腔体之后，就可以无破坏地对相同的场进行重复测量，将场投影到具有确定光子数数目的状态上（即Fock态），同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。因此这种信息的捕获和解读并不会影响下文中所提到的光子状态的改变.但是这里又会出现另一个问题，一个光子所携带的信息是有限的，若想同时捕获两个光子的概率为10^（-34），而且捕获一个光子所需的时间为10^（-11）秒。因此，若想捕获由量子计算机传输的全部信息，对于现在的人类来说是完全不可能的，正如潘建伟院士所说，这就是完全的加密。

二、尝试克隆信息

尝试克隆信息则意味着单个光子的状态改变，接收方一样会发现问题。根据海森堡不确定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，决定了在绝大多数情况下窃听必然被发现（除了上文中提到的特殊情况）。在此基础上，量子密钥分发“一次一密，完全随机”，就保证了加密内容不可破译，也就是理论上的绝对安全。但是还有另一种极为特殊的情况，“除非改变熵增不可减这一宇宙法则被改变，这种逆过程在目前人类所处的三维空间世界里还无法想象，毕竟，多维平行世界目前还无法体验。就如牛顿经典力学适用于低速宏观世界，在高速微观世界就得用爱因斯坦相对论和量子理论一样。至少在目前人类已经感知的世界中，绝对的安全就出现了。

关于量子隐形传态和量子计算。

利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等信道，传输量子态携带的量子信息。量子态就可以在一个地方消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。这就可以极大的加快现在的信息传输速度。根据海森堡的不确定性关系，量子本身是可以同时存在于两个地方的。一般情况来说量子波是可以瞬间展开充满宇宙的。

数据是不会丢失的。如果用光子作为信息的载体，就很有可能面临信息的丢失。但是这一点目前可以结合伦纳德·欧拉的最小作用量原理，粒子的运行轨迹是使得此路线上的任何两点之间的作用总是尽可能小。同时加上海森堡的不确定性原理，ΔPΔX～h当量子想要跃迁到更远的地方时，由于量子干涉的规模也会变大，所以量子本身只会运动很小的距离（这是在极大概率下发生的） 。例如，在一个0.0009m2的空间中，让1微克的物体完全移动出去大概需要10^21秒。这个数值是宇宙年龄的1000倍，因此数据的丢失是几乎不会发生的，光子可以几乎按照人们预先设计好的路线，完成信息的传输，因此量子计算机的实现，对信息的传输是绝对安全的。

关于量子通信的实际应用

在量子通信的实际应用中，我们则需要保证终端的安全，身份的安全，传输途径的安全，以及相关软件和云应用环境的安全，因此理论上的绝对安全在实际应用中会受到这样那样的条件限制。

2015年12月11日，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

这项突破性的成果打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

由于量子形态的不稳定，量子计算机只是在理论层面可行，加上能够用运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大，因此并不具备可行性。这次的2X系统，采用了1152Qubit的架构，对比之前的系统，研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。

即便克服了量子稳定性的问题，量子计算机在实际落地推广方面会遇到一些实质问题，如何在实验上实现对微观量子态的操纵。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许我们需要一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。但摩尔定律的失效，对半导体行业和量子计算机的发展无疑又产生了一个更大的障碍。研究量子计算机的目的绝不是要用它来取代现有的计算机，而是为了在某些方面满足人类对实践活动的需要。随着科技的发展，量子计算机将变成可能。

参考文献

[1] 【英】Brian Cox、Jeff Forshaw.The Quantum of universe.重庆出版集团，重庆出版社.2013年6月.41-42.45-46.49-50.60.

[2] 【英】Stephen Hawking.The theory of everything：The origin and fate of the universe.译林出版社.2012年12月.