量子计算机

量子计算机所描述的属性的设备量子力学来增强计算。

早在1959年，美国物理学家和诺贝尔奖得主理查德·费曼注意到，随着电子元件开始达到微观尺度，用量子力学是存在的——他认为，可以在设计更强大的计算机时加以利用。量子研究人员特别希望利用一种被称为叠加．在量子力学的世界里，物体不一定有明确定义的状态，正如著名的实验所证明的那样，一个光子穿过有两个小缝的屏幕会产生一个波干扰模式，或所有可用路径的叠加。（看到波粒二象性)。然而，当一个狭缝关闭时——或者用探测器来确定光子通过了哪个狭缝——干涉图案就消失了。因此，在测量将量子系统“崩溃”为一种状态之前，量子系统“存在”于所有可能的状态。在计算机中利用这一现象有望极大地扩展计算能力。一个传统的数字计算机雇佣了二进制可以处于两种状态之一的数字或位，表示为0和1;因此，例如，一个4位计算机寄存器可以保存16(2)位寄存器中的任意一个⁴)可能的数字。相反，量子比特(量子比特)存在于从0到1的值的波状叠加;例如，一个4量子比特的计算机寄存器可以同时保存16个不同的数字。理论上，量子计算机因此可以并行操作大量的值，因此30个量子比特的量子计算机将是类似的到能够每秒执行10万亿浮点运算(TFLOPS)的数字计算机——与最快的速度相当超级计算机年代。

在20世纪80年代和90年代，量子计算机理论的发展大大超出了费曼早期的推测。1985年，David Deutsch牛津大学描述了通用量子计算机的量子逻辑门的结构，1994年AT&T的彼得·肖尔设计了一个量子逻辑门算法用量子计算机分解数字只需要6个量子比特(尽管在合理的时间内分解大数需要更多的量子比特)。当一个实用的量子计算机建成后，它将打破当前基于两个大质数相乘的加密方案;作为补偿，量子力学效应提供了一种新的安全通信方法量子加密。然而，实际建造一个有用的量子计算机被证明是困难的。尽管量子计算机的潜力巨大，但要求同样严格。量子计算机必须维护一致性在它的量子比特之间(称为量子纠缠)长到足以执行一个算法;因为几乎不可避免的相互作用环境（退相干)，检测和修正误差的实用方法需要设计;最后，由于测量量子系统会干扰它的状态，必须开发可靠的提取信息的方法。

建造量子计算机的计划已经提出;虽然有几个证明了基本原理，但没有一个超出实验阶段。下面介绍三种最有前途的方法:核磁共振(核磁共振)、离子阱和量子点。

1998年艾萨克·庄洛斯阿拉莫斯国家实验室，尼尔·格申菲尔德麻省理工学院(麻省理工学院),加州大学伯克利分校的Mark Kubinec创建了第一台量子计算机(2量子比特)，可以加载数据并输出解决方案。尽管他们的系统连贯的从解决有意义的问题的角度来看，它仅用了几纳秒，证明了量子计算的原理。他们没有试图分离出几个亚原子粒子，而是溶解了大量的氯仿分子(CHCL_3.)置于室温下的水中，并涂上a磁场在氯仿中确定碳核和氢核的自旋方向。(因为普通碳没有磁性自旋在美国，他们的溶液使用了一种同位素碳-13。)与外部磁场平行的自旋可以被解释为1，反平行的自旋可以被解释为0，氢核和碳13核可以被共同视为2量子位系统。除了外部磁场之外，无线电频率脉冲被应用于导致自旋状态“翻转”，从而产生叠加的平行和反平行状态。进一步的脉冲被应用来执行简单的算法来检验系统的最终状态。这种类型的量子计算机可以通过使用具有更多单独可寻址核的分子来扩展。事实上，2000年3月，洛斯阿拉莫斯的Emanuel Knill, Raymond Laflamme, Rudy Martinez和麻省理工学院的Ching-Hua Tseng宣布他们已经用反式巴tonic酸创造了一个7量子比特的量子计算机。然而，许多研究人员对将磁技术扩展到10到15个量子比特以上持怀疑态度，因为原子核之间的相干性正在减弱。

就在7量子比特量子计算机宣布的前一周，物理学家大卫Wineland和美国国家标准与技术研究所(NIST)的同事们宣布，他们已经创造了一个4量子比特量子计算机通过纠缠四个电离铍原子使用电磁“陷阱。”在线性排列中限制离子后，a激光将粒子冷却到绝对零度并同步它们的自旋状态。最后，激光被用来纠缠粒子，同时为所有四种离子创造自旋向上和自旋向下的叠加状态。这种方法再次证明了量子计算的基本原理，但将该技术扩展到实际维度仍然存在问题。

基于半导体的量子计算机技术是另一种可能。在一种常见的方法中，一个离散数量的自由电子(量子比特)居住在非常小的区域内，称为量子点，并且处于两种自旋状态之一，解释为0和1。尽管容易出现退相干，但这种量子计算机建立在成熟的固态技术之上，并提供了易于应用的前景集成电路“扩展”的技术。此外，大量相同的量子点可能会在单个量子点上制造出来硅芯片．该芯片在外部磁场中工作，控制电子自旋态，而相邻的电子通过量子力学效应弱耦合(纠缠)。一组叠加的电线电极可以对单个量子点进行定位，算法执行，并推导出结果。这样的系统必须在接近绝对零度的温度下运行，以尽量减少环境退相干，但它有可能包含非常大量的量子比特。