一文读懂量子计算的原理、分类与发展

本文探讨了量子计算的基本原理,如叠加状态和量子比特,对比了通用量子计算机与量子退火机的差异。同时,介绍了D-Wave Systems在量子退火机上的进展,以及NTT实验室在相干伊辛机和超导量子比特方面的研究。尽管量子优势已取得突破,但容错量子计算机的实现仍有很长的路要走。

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摘要:非冯·诺伊曼型计算机(如量子计算机和伊辛机),它们的工作原理与现代计算机不同,正引起人们的广泛关注。如在组合优化问题、量子化学计算和素因数分解等特定问题上体现较为明显,这些都是对社会有影响的重要问题,所以正在深入研究中。本篇文章介绍了新原理计算机的发展过程,以及日本NTT实验室的理论和实验工作。

目前,在半导体行业中,有一条经验法则叫做“摩尔定律”,即“集成电路上的晶体管数量每18个月翻一番”。事实上,根据这一定律,半导体器件在制作工艺上正变得越来越精细,计算机的性能也在逐年提高。同时,随着摩尔定律的逐步推进,晶体管的体积在不断变小,原子尺寸也将达到极限。然而,在此之前,有种说法是在量子效应出现之前,还存在着一种"量子力学墙",而这些物理现象都无法在传统的电路定律中解释。

在量子力学的世界里,存在着经典力学所没有的神秘特性,如叠加状态、波粒二象性。而量子计算机是一种充分利用这些特性,并以与传统计算机不同的原理运行的计算机。在当前的信息处理计算过程中,可以取"0"和"1"两个值的比特进行计算,但是作为量子计算机基本元素的量子比特是可以实现"0"和"1"的任意组合叠加。如准备N个量子比特,2的N次方可以表示一个状态的叠加,通过增加量子比特的数量,叠加态的数量呈指数增长。通过对大量的叠加态进行计算,可以实现大规模并行计算,这是量子计算机加速的一个因素条件。

此外,量子计算机还利用量子比特的波特性,通过量子比特之间的相位干涉效应,从大规模并行计算的结果中找出所需的解。近年来,与传统的基于顺序计算的冯·诺伊曼计算机不同,基于新原理运行的非冯·诺伊曼计算机(如量子计算机)越来越受到人们的关注。在本篇文章中,我们将从理论和实验的角度介绍NTT实验室在新原理计算机方面的进展与实践。

新原理计算机

新原理计算机大致可以

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