38、量子逻辑门：从基础演示到大规模计算的探索

量子逻辑门：从基础演示到大规模计算的探索

1. 量子计算与受控非门简介

量子计算机的独特之处在于其能够存储和处理数字的叠加态，这种并行计算的潜力使得某些问题在量子计算机上的解决效率远超经典计算机。例如，Shor算法表明量子计算机能够高效地对大数进行因式分解，而许多数据加密方案的安全性正是基于经典计算机难以完成这一任务。

量子计算机包含一个量子比特（qubit）寄存器，每个量子比特表现为量子力学的二能级系统，可以存储0和1的任意叠加态。任何对量子比特寄存器的计算都可以分解为一系列的双比特操作，其中“受控非”（CN）量子逻辑门是关键操作之一，它伴随着单量子比特的简单旋转。CN门将两个量子比特的状态从 (|\epsilon_1\rangle|\epsilon_2\rangle) 转换为 (|\epsilon_1\rangle|\epsilon_1 \oplus \epsilon_2\rangle)，这里的 (\oplus) 是模2加法。类似于经典的异或（XOR）门，CN门在最基本的层面上进行计算：“目标”量子比特 (|\epsilon_2\rangle) 的值根据“控制”量子比特 (|\epsilon_1\rangle) 的状态进行翻转。

2. 实验实现的挑战与方案

实验实现量子计算机需要作为量子比特的孤立量子系统，以及量子比特之间可控的幺正相互作用来构建CN门。如果量子比特不能充分与外界影响隔离，退相干效应会破坏形成计算的量子干涉。

一些提出的量子计算机和CN门实验方案，如涉及量子点或原子核之间偶极 - 偶极相互作用的方案，可能会受到退相干的影响。而将原子置于电磁腔中的方案，虽然可以利用腔内单光子作为控制量子比特来构建量子门，但扩展到大量子