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青岛大学学报
JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY
V。L 13NO． 3
文章编号：1(106-i037(2000)03-01i7-03
Ij ／『7 量子计算机的核心与发展
袁玉珍 邓尚民
(山东工程孚面砀 学科 ■ 吾雨 25501 2)
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摘要：分析、对比了经典计算机和量子计算机的异同，讨论了量子计算机的核 与发展
趋势，指出经典计算机和量子计算机的结合将是计算机发展的最佳模式。
关键词：量子计算机：量子位 离子阱 量=；_逻舒f’7
， 量子
前言
随着计算机的飞速发展和应用的日益普及，计算机现 已成为社会各个领域 中不可缺
少的工具 近 五十年来，计算机芯片的集成度按摩尔定律、大约每十八个月就提高一倍
的速度指数增 。目前计算机芯片的布线密度已达到 0．18微米 这种微型化的发展，将
使人类面对尺寸仅为纳米量级的超微型电脑元件。此时，信息的存储、传输与处理都将
在原子层次上．按照量子力学的原理进行，本文通过分析经典计算机和量子计算机的异
同，讨论量子计算机的核心与发展趋势
1 经典计算机的特点
所谓经典计算机，是指目前广泛采用的冯诺依曼型计算机 其特点是：
(i)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成
(2)采用存储程序的方式，程序和数据放在 同一个存储器中 指令和数据 以二进制
码表示 ．可以送到运算器运算
(3)机器以运算器为中心 输入和输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器
由于计算机技术的发展和新应用领域的开拓，对冯 诺依曼型机作了很多改革。如
某些机器程序 与数据分布在不同的存储器中，机器可以不再以运算器为中心、而是以存
储器为中心等等 ，但原则上没有太大的变化
经典计算机的摄小信息单元是位，采用物理上最容易实现的二进制 其计算过程严
格遵循布尔代数．任何复杂的逻辑任务可用 “与”、“或”和 “非”三种基本逻辑操作完
成 。
经典计算机本身存在着不可避免的致命弱点 一是计算过程能耗的摄基本限制。逻
辑元件或存储单元所需的最低能量应在 kT的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作 二
是信息熵与发热能耗。三是计算机芯片的布线密度很大时．根据海森堡不确定性关系，
电子位置的不确定量很小时．动量的不确定量就会很大。电子不再被束缚．会有量子干
’收稿 日期：2000．05．10
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笔巳卷苇飞罔 青岛大学学报
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文章编号 HJ凶- 1()37 (2UOωω-0117-03
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117~ 111
量子计算机的核d心与发展*
袁玉珍 邓尚民
(山东工草草霞有重学科部，淄博 2把自1 2)
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July. 2000
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摘要=分析、对此了经典计算机和量子计算机钓异同，讨论7 量子计算机钓核..:.;与发展
趋势，指出经要计算机和量子计算机钩结合将是计算机发展约最佳模式e
关键词z 量子汁算机:量1二位;离子阱 g 、 、tTn ..,f...., ......... r.;;.... ~r .... 中窜分捂习吕立二言岳"ffiii!l， A 雪步i更苟I'J J 雪j-f费
前言
随着计算机的飞速发展和应用的吕益普及，诗算机现己成为社会各个领域中不可缺
少部工具俨近五十年来，计算机芯片的集成度按摩尔定律、大约每十八个月就提高一倍
的速度指数增沃"目前计算机芯片的布线密度己达到口 18 撤米白这种微型化的发展.将
使人类面对尺寸仅为纳米量级的超激型电脑元件"此时，信息的存储、传输与处理部将
在原子层次上.按照量子力学的原理进行‘本文通过分析经典计算机和量于计算机的异
同.讨论量于计算机的核心与发展趋势。
1 经典计算机的特点
所谓经典计算机噜是指目前广泛采用的冯诺依曼型计算机。其特点是z
( 1 )计算机由运算器、控制器飞存储器、输入设备和输出设备组成。
(2) 采用存储程序的方式电程序和数据放在同一个存储器中自指令和数据以二进都
码表示.可以送到运算器运算。
t3 1 机器以运算器为中心，输入和输出设备与存储器1号的数据传送都经过运算器自
由于计算机技术的发展和新应用领域的开拓，对冯诺依曼型机作了很多改革"如
某些机器程I'f与数据分布在不同的存储器中.机器可以不再以运算器为中心、而是以存
错器为中心等等噜IêD草创上没有太大的变化n
经典计算机的最小信息单元是泣，采用物理上最容易实现的二进和Ú. 其计算过程严
格遵馆布尔代数，任何复杂的逻辑任务可用"与"、"或"和吁γ 三种基本逻辑操作完
成。
经典计算机本身存在看不可避免的致命弱点。一是计算过程能耗的最基本限制。逻
辛毒无f牛或存储单元所需的最低能量应在 kT 的几倍以上，以避免在热涨落下的误动作e 二
是信息恼与发热能耗。三是计算机芯片的布线密度?巨大时，根据海森堡不磷定性关系，
电子生营的不碗定量很小时，动量也不确定量就会很大，电子不再被束缚，会有量子于
• ~董事 B期 2000-05-10
青岛大学学报 第 l3卷
涉效应，这种效应甚至会破坏芯片的功能。
2 量子计算机的核心
量子计算机的构成涉及量子位、量子逻辑门、，量子导线、量子密码等理论和技术问
题 同时要涉及态叠加原理、二能级系统、量子纠缠态等量子力学的基本概念。其核心
是基于布尔代数 ，在这一 点上与经典计算机是相同的．只不过是按照量子力学的方式．
用自疑 1，2等粒子的物理系统实现与冯诺依曼型机相应的布尔逻辑态。即用量子系统构
筑以经典方式运行的计算机
与经典计算机 的最小信息单元 “位”对应，量子计算机的最小信息单元 “量子位”，
可以是一个二能级原子、或有两个 自旋态的电子、或具有两种极化的光子 但量子位与
经典位的最大不同在于，量子位存在叠加态，还有可能存在缠绕态。因此，量子计算机
的发展不能完全模仿经典的冯诺依曼型机
到 目前为止，还不能肯定量子计算机在处理所有问题时，一定都 比经典计算机快，
但它具有经典计算机不能比拟的两个特性。
(1)量子计算将按照量子力学的原理进行，可以真正模拟一个量子系统的演化
(2)量子计算的对象是量子叠加态和缠绕态。如果以纯态表数，叠加态可表示多个
数，对量子叠加态的操作，相当于对多个数进行同时多路的操作运算 即实现 “量子并
行计算”，可以快速有效地解决许多特殊问题。例如，在经典计算机上把一个 100位的数
分解为素数，是一个相当耗费机时的问题。因为经典机只存在指数算法，而量子计算机
使用多项式算法，使得大数的分解变得较为容易。这对于金融系统基于经典计算机的公
钥密码系统，是极大的危 险
但是，量子计算机有许多困难。如退相干问题 量子计算机是利用量子相干性实现
量子并行运，而处于叠加态或缠绕态的量子系统，会因不可避免的噪声而退相干，使正
常的相干演化被破坏、导致计算出错。经典计算机中的数据校验方法完全无法用于量子
计算机。因为加入校验码的过程就是一种退相干。
3 量子计算机的发展趋势
近几年来，科学家们已提出了多种量子计算的方案 如利用腔 QED技术、光子的
偏振、自旋体系的双共振 、半导体中的量子点、多路脉冲磁共振和超冷离子等 实现量
子计算的关键是实现受控非门完成量子位之间的逻辑操作 后两种方案有较强的可行性
采用核磁共振的基本物理原理在于．对许多有机分子，当其中一个原子的自旋处于
不同状态时，另外_一个原子的自旋翻转所需的能量、或共振频率也不同。如果把其中一
个原子的自旋状态当作控制位，另一个原子的自旋当作目标位。控制不同的控制频率，
就可以实现控制 “非 “操作。为了使量子态和环境较好的隔离，需把有机分子溶解于另
外的有机溶液中．以避免退相干。
由lF利用激光冷却囚禁离子的技术发展迅猛 人们提出利用离子阱技术实现量子计
算 每一个被囚禁在阱中的离子就是一个量子位。美国国家标准与技术研究所对单个镀
离子完成了首次量子逻辑门的演示实验，表明这一理论方案在原则上的可行性 离子阱
的种类很多．但基本原理是相似的，部是在特定构型的电极上加上静电场、交变电场或
磁场的适当组合 通过这些场的作用，将带电离子稳定地囚禁在超高真空的容器中。阱
中的超冷离子处于一个几乎与世隔绝的空间中，可忽略由于环境引起的退相干。若能将
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11 g 青岛大学学报
，非变主应 r 这种效应甚至会破坏芯片的功能。
2 量子计奠机的核心
第 13 卷
量子ìt算机的构成涉及量子位、量子逻镜门、量子导线、量子密码等理论和技术问
题吨同时要涉及态叠加原理、二章E级系统、量子纠缠态等量子力学的基本概念"其核心
是基于布尔代数嘻在这一点上与经典计算机是相同的，只不过是按照量于力学的方式，
用自旋 1 '2 等粒子钓物理系统实现与冯诺依曼型机相应的有/~逻辑态也部用量子系统构
筑以经典1]式运行的ìt算机n
与经典计算机的最个信怠单元"位"对应，量子计算机的最小信息单元始量子位
可以是一个二能级原子、或有两个自旋态的电子在或具有两种极化的光子而但量子位与
经典位的最大不同在于嘈量于位存在叠加态，还有可能存在缠绕态。因此电量子计算机
的发展不能完全模仿经典的冯诺依曼型机c
到目前为止，还不能雪定量于计算机在处理所有问题时，一定都比经典计算机挟，
但官具有经典计算机不能比拟的两个特性。
( 1 )量子计算将按照量子力学的原理远行，可以真正模拟 个量子系统的演化n
(2) 量子计算的对象是量子叠加态和缠绕态。如果以纯态表数，叠加态可表示多寺、
数哩对量子叠加态的操作，稳当于对多个数注1于同时多路剖主是作运算" t!ß实现"量子并
行计算'二可以快速有效地解决许多特殊闲题。例如喧在经典计算机上把一个 l白白位的数
分解为素数，是一个相当耗费机时的问题t 医为经典m只存在指数算法弯雨量子ìt算机
使用多项式算法电使得大数的分解变得较为容易 u 这对于金融系统基于经典计算机的公
钩密码系统.是极大躬危险c
但是.量子汁算机有i午多困难"如ill.相干问题n 量于计算机是利用量子相干性实现
量子并îf运.而处于叠加态或缠绕态的量子系统奄会因不可避免的噪声而退裙子唱使正
常的裙子模化被破坏、导致计算出错e 经典计算机中韵数据校验方法完全无法用子量子
it算机叮因为加入校验码的过程就是一种退招干c
3 量子计算凯的发展趋势
近几年来，科学家 Ifl己提出了多种量子计算的方案、在吉利用在♀ED 技衣、光子的
偏振飞自旋体系的豆豆共振飞半导体中的量子点、多路脉异磁共振车E超冷离子等「实现量
子计算的关键是实现受控非门完成量子位之间的逻辑操作e王三两种方案有较强的可行性c
采用该磁共振在j基本物理原理在子，对许多有机分子唱当其中一个原子的自旋处于
不同状态时.另外-个原子的自旋翻转所需的能量、或共振频率也不同。如果把其中一
个原子的自旋状态当作控制位喧另一个原子的自旋当作目标位。控制不同豹控制频率.
就可以实现控帮"非"操作。为了使量子态和环境较好的隔离，需把有机分子溶解子另
外在j有机溶液中，以避免ill.相干酌
由 f利用激光冷却囚禁离子的技术发展迅猛。人们提出利用离子阱技术实现量子计
算 e 每 个被囚禁在阱中的离子就是一个量子位2 美医国家标准与技术研究所对单个绞
离子完成了首次量子逻辑门的演示实验嘈表明这一理论方案在原则上的可行性"离子阱
的种类很多，但基本原理是相似的，都是在特定构型的电极上加上静电场、交变电场豆豆
磁场的适当组合。通过这些场的作用.将带电离子稳定挝囚禁在超高真空豹容器中。阱
中的超冷离子处于一个几乎与世隔绝的空间中，可，@、路由于环璜引起的退相干巳若能将
第 3期 量子计算机的核心与发展 l】9
n个二能级 离子囚禁在线性离子阱中，限制它们沿对称轴作一维运动，就可以实现 I1位
量子逻辑门。借助一个辅助能级和荧光探测技术 用一束圆极化光就能将量子位上的信
息无损失地全都读出。这种量子计算机由激光实现自旋状态翻转的控制 “非”操作。具
有良好的前景。但是，就 目前的技术而言，短期内尚无法实现在阱中囚禁数十个超冷离
子、并将其信息无损失地读出。因而经典计算机在较长时间内，仍不会受到量子计算机
的强烈冲击
既然量子计算机也是基于布尔代数，所以与经典计算机类似，任何一种量子计算机，
也必须由时序控制。但是，量子逻辑门的运算速度比经典计算机逻辑门慢得多。通过以
上分析可见 量子计算机的最大优点在于 “量子并行运算”，要进入实用阶段还有漫长的
路要走 考虑到经典计算机已有半个多世纪的发展，除了在并行运算方面逊于量子计算
机以外，在运算速度、信息存储、信息的输八和输 出方面有极大的优越性。如果将二者
的优点结合起来，用经典计算机控制时钟序列 量子计算机控制运算部分，将能充分发
挥量子计算机和经典计算机的优点，满足人们对计算机的并行和高速运算的需求。同时，
对物理学科的发展．也具有深远的影响，可 以加深人类对量子力学理论和微观世界的认
识，对现代物理技术起到巨大的推动作用。
参考文献：
【1】 曹颖，裴寿镛．量子计算机【J】．大学物理，1998(9)：1
【2】 冯芒，高克林，朱熙文．量子计算与超冷离子【J】．物理，1998(10)：587
【3】 龙桂鲁．张伟林．量子效应会改变计算世界吗?[J】．中国计算机报，1999(98)
A 19
THE KERNEL AND THE DEVELoPM ENT 0F
QUANTUM C0MPUTER
YUAN Yu-zhcn DENG Shang-rain
(Teaching ang ResearchDcparlm~mt ofPhysics，ShangdongInstituteof
erlgmec~ g．z o 255O12)
Abstract：The paper analysis the difference and the salllCness between quantum an d classical
computer,The advantage of quantum computer is paraUel computation,The best computer
wouldbe composed ofquantum and classical computer．
Keywords：quantum computer；quamhan bit；iontrap
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第 3 草草 量子计算机始核心与发展 119
2 个工能级离子囚禁在线性离子在替中，黑制它们沿对称输作一维运动，就可以实现 n 位
量子逻辑门。借助 个辅助能级和荧光探测技术，用 柬匮极化光就能将量子位上的信
息无损失地全部读出。这种量子计算机自激光实现自旋状态翻转的控章~ .，非"操作 e 具
有良好的前轰c 但是，就目前的技术丽言，短期内尚无法实现在阱中囚禁数十个超冷离
子、并将其信息无损失地读出 a 因而经典计算机在校长时刻内，仍不会受到量子计算机
的强烈冲击。
既然量子计算机也是基于布尔代数，所以与经典计算机类似，任何一种量子计算机，
也必须由对序控制。但是，量子逻辑门的运算速度t已经典计算机逻辑门慢得多 a 远过以
上分析可见，量子诗算机的最大优点在于 u量子并行运算气要进入实用阶段还有漫长的
路要走。考虑到经典诗算机己有半个多世纪的发展，除了在并行运算方面逊于量子计算
机以外，在运算速度、信息存储、信息的输入和输出方面有极大的优越性。如果将二者
的优点结合起来.用经典计算机控制时讲序列，量子计算机控制运算部分.将能充分发
挥量子计算机和经典计算机的优点，满足人们对计算机的并行和高速运算的需求。同时，
对物理学科的发展，也具有深远的影响，可以加深人类对量子力学理论和微观世界的认
识，对现代物理技术起到巨大的推动作用。
参考文献.
[1) 曹颖，装寿铺.量子计算机[J). 大学物理. 1998 仰头 I
[2) 冯芒，高克林雹朱熙文.量子诗算与超冷离子[J).物理， 19告8 (\0), 587
[3] 龙桂鲁.张伟林.量子效应会改变计算世界吗? [J]‘cf1 00计算机撮，四99 (98) ,
Al9
THE KERNEL AND THE DEVELOPMENT OF
QUANTUM COMPUTER
YUAN Y1坠zhen DENGS主田Jg-mm
(Teachin皇血19 Research Depar跑回t ofPhys邸， S且由gd田E喜Ins也阳缸。f
C鸣四四鸣， Zï忌。 255位 12)
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