1、光学量子计算：原理、算法与前沿进展

光学量子计算：原理、算法与前沿进展

1. 光学量子计算简介

自20世纪80年代起，人类从对量子（如光子、电子、原子、分子等）的被动观测转向主动操控，量子物理与信息技术的结合开创了量子信息科学这一全新领域。它在信息处理和通信方面开辟了与传统方法截然不同的道路，成为近年来物理学和信息科学中最活跃的研究前沿之一。

1.1 量子计算的优势

量子计算采用量子力学的基本原理进行计算，与经典计算相比具有显著优势。经典计算机的基本信息处理单元是比特，只能处于“0”或“1”两种状态之一；而量子计算机的基本信息单元是量子比特（qubit），能够处于“0”和“1”的任意叠加态 。这种叠加特性使得量子计算机在处理相同复杂度的问题时，所需的信息处理时间大幅减少。例如，一个N比特的经典存储器只能存储2^N种可能数据中的一个，而一个N量子比特的量子存储器可以同时存储2^N个数，其信息存储容量随N的增加呈指数增长。在信息处理中，量子的相干叠加特性允许对量子存储器中的所有数据同时进行数学计算，即数据的并行计算，从而实现高度并行操作，大大减少了完成相同任务所需的计算资源（如时间、存储单元等）。

1.2 量子信息的应用

近年来，量子信息在编码、传输和信息处理等领域取得了显著进展。通过有目的地控制量子力学效应，挖掘出了量子信息的强大功能：
- 量子密钥分发（QKD） ：实现绝对安全和保密的通信。
- 量子计量学 ：在量子力学的理论支持下提供更精确的测量。
- 量子光刻 ：能够制造和组装比光的波长小得多的设备。