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量子计算原理及研究进展

科技导报2017，35(23)

量子计算原理及研究进展量子计算原理及研究进展

韩永建，李传锋，郭光灿

中国科学技术大学；中国科学院量子信息重点实验室，合肥 230026

摘要摘要量子计算机是量子力学与计算问题相结合的产物，是近几年的研究热点，引起了广泛的社会关注。本文回顾量子计算机

的发展，介绍了量子算法和量子计算模型，并以离子阱和超导线路为例阐述了量子计算机的物理实现，然后介绍了为了克服消相

干而发展出的量子编码，以玻色取样为例讨论了量子霸权。展望未来，近期内可以展示量子霸权，进而实现解决特定问题的量子

模拟器，但是普适的量子计算机的研制仍然需要很长的时间。

关键词关键词量子计算；量子算法；量子编码；离子阱；超导线路

随着现代微电子加工技术的不断提高，电子线路的尺寸 (即Deutsch-Jozsa算法)，在他们提出的这个问题中，量子计算

越来越小。当不同线路之间的距离达到原子尺寸时，电子在相对于经典计算具有指数的加速。随后1993年Bernstein 和

不同线路之间的隧穿将不可忽略，经典电子线路模型将不再 [4] [5]

Vazirani 以及Simon 均提出了以他们名字命名的量子算法。

适用。要研究电子在这种线路种的性质，需要使用量子力这些算法都表明在解决某些特定问题时量子计算机相对于经

学。此外随着电子线路集成度的不断提高，散热成为一个关典计算机具有优势。然而这些特定问题都是人为设计出来

键问题。根据Landauer擦除定理，在不可逆过程中，热量与的，不对应现实问题，其影响力还仅仅局限于学术圈内。

不可逆操作的规模密切相关：集成度越高，单位面积上产生

的热量越多。在集成度很高时，如何散热成为电子线路的巨 1 量子算法

大挑战，处理不好就会将电路烧坏。基于量子力学基本原理是否能找到一个现实的问题，量子计算机比经典计算更

的量子计算机，由于其计算的可逆特性，不会因非可逆操作 [6-7]

优越呢？1994年，Shor 提出了著名的大数因子算法，这个

带来热量。量子计算机不仅能解决经典计算机所面临的一算法表明量子计算机可以有效地求解大数因式分解问题。

些瓶颈问题，更重要的是，它原理上就不同于经典计算机，在大数因式问题是指：给定一个整数Q，它是2个质数的乘积，

解决某些困难问题时，相比经典计算机具有压倒性优势。

找出这2个质数。此问题是一个NP问题(给一个问题的答案

[1]

将量子力学和计算问题相结合的思想是由费曼(Feyn⁃ 可以多项式时间内验证正确性)，到目前为止，还没有找到有

man)于1982年提出的，按照他的设想可以用标准量子系统

效的经典算法，最好的算法其复杂度也会随着问题的规模指

(容易操控的系统)实现对复杂量子系统的模拟，进而解决经

数增长。更为重要的是，大数因式分解问题的复杂性是目前

典计算机无法解决的量子问题，特别是量子多体物理问题

广泛使用的RSA密钥系统的理论基础，Shor算法不仅证明了

(多体系统的希尔伯特空间随着系统尺寸指数增长，经典计

量子算法的优越性，更动摇了现行的RSA密码系统的安全性

算机无法有效处理)。虽

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