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量子计算

一种使用量子位处理数据的不同方式。
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集成电路行业长期以来一直在处理量子现象。一个足够小的结构可以产生一个量子阱或量子点,将带电粒子困在里面。例如,量子阱在半导体激光器中是必不可少的。在硅集成电路中,足够薄的介电层允许载流子隧穿,从而导致器件漏电。栅极隧道效应是引入高介电常数栅极材料的主要原因。其较大的物理厚度为期望的等效氧化厚度减少隧道。
量子计算则不同。事实上,一些研究人员更喜欢将其称为量子信息处理,描述通过量子相互作用进行计算的系统。

作为一个思想实验,考虑一个单一的电子,比如一个被困在量子点或绕氢原子运行的电子。它有一个自旋,向上(|1>)或向下(|0>),两种选择的概率相等。事实上,在测量发生之前,电子处于两种状态的叠加态,即|0> + |1>。这是一个量子比特。它可以在磁场作用下初始化为|0>或|1>状态,并将保持该状态一段时间,称为相干时间,这取决于环境条件。

相反,如果我们有一个氢分子,有两个电子,我们可以认为这是两个量子位。如果它们距离足够近,可以相互作用,就被称为“纠缠态”,有四种可能的状态:|00>、|10>、|01>和|11>。像以前一样,系统处于所有四种状态的叠加中,所有四种状态都是等概率的。理论上,许多量子比特的组合是可能的,可能的状态数为2n,其中n是量子位的个数。

如果单个量子比特是纠缠的,那么,例如,使用磁场来控制其中一个电子的自旋将限制整个系统的可能状态。在我们假设的双电子系统中,初始化其中一个电子到|1>状态意味着|00>状态不再对整个系统可用。这些相互作用使构建量子逻辑成为可能,其中输入量子位根据明确定义的规则控制输出量子位的行为。事实上,早在1985年,大卫·多伊奇(David Deutsch)就证明了量子力学,就像传统的基于门的逻辑一样,可以用来构造图灵完备操作集。究竟哪一组量子算符最适合真实世界的计算仍然是一个悬而未决的问题,将在本系列的后面更详细地讨论。

到目前为止,所有这些听起来都很正常,很像用硅制作的传统逻辑。不过,不要被愚弄了。量子计算机的独特性就隐藏在关于量子位之间相互作用的那句话中。在传统逻辑中,门是确定的。当且仅当两个输入都为TRUE时,AND门返回TRUE。然而,量子门是概率性的。每个应用的约束使某些状态比其他状态更可能出现。然而,系统的实际状态是未知的,直到组件量子位的状态被测量。事实上,测量组成量子位的行为通过打破量子态的叠加而破坏了计算。相比之下,在传统逻辑中,系统的完整内存状态可以被记录、存储,并在未来的某个时间放回计算机的内存中。

量子位的测量和操作之间的区别使得设计和编程量子计算机非常具有挑战性,但好处可能是巨大的。纠缠允许量子计算机以一种概念上优雅的方式对物理系统建模。准备一个量子比特数组,对应于感兴趣的系统的初始状态——比如一个被离子轰击的表面。允许量子位相互作用,同时受到外部信号-比如磁场扰动的阵列。经过一段时间后,记录数组中量子位的状态。

在这样的模拟中,所需的量子位的数量缩放为n,即感兴趣的粒子的数量。粒子之间的相互作用包含在态的叠加中;如上所述,有2个nn个量子比特的可能状态。相比之下,在经典模拟中,相同的系统将被建模为一系列n个向量,每个感兴趣的粒子一个,但向量之间的相互作用必须明确定义。因此,所需的资源规模为2n

量子信息处理算法的开发是一个复杂的主题,将在本系列的后续文章中更详细地讨论。就目前而言,可以说多体模拟是量子算法比经典算法更快、更有效利用资源的一类问题之一。量子计算可能提供优势的其他问题包括分解大数(加密中的一个关键问题)和对大型列表(如网页索引)进行排序。

然而,在解决这些问题之前,有必要真正建造一台量子计算机。操纵单个电子自旋说起来容易,但实际上需要消除杂散磁场和大多数其他环境力。甚至附近原子核的自旋也有作用。

一旦完成,量子位纠缠必须维持足够长的时间才能实际执行所需的计算。性能的关键数字包括单个量子态的相干时间,以及状态之间的耦合强度。

因为量子相互作用发生在非常短的距离上,但真正的问题需要数十或数百个量子位,所以需要一种机制来在分离的量子位之间传输信息,同时保持状态的叠加。简单地读出一组量子位的值,然后用这些值重新编码另一组量子位是行不通的。


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