光量子計算機的原理及研究進展

電子計算機主宰了過去的一個世紀，目前世界上的主流計算機開發公司諸如英特爾、IBM 公司和AMD公司仍然繼續使用電子電路開發更小和更快的微處理器。然而，隨著時代的進展，更加高速、攜帶信息更多的通信技術越來越受到社會的強烈需求。計算技術的未來在于光子計算這些技術包括納米技術、量子技術、光交換技術等。光電子技術的發展前景不可限量。第一個研制出光子微處理器的國家將毋庸置疑地占據在計算技術領域中的領先地位并且確保 巨大的經濟收益 。

正如我們所熟知，光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。它由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成，靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，以光子代替電子，光運算代替電運算。光的并行、高速，天然地決定了光子計算機的并行處理能力很強，具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統中某一元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低，對環境條件的要求比電子計算機低得多。隨著現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。

相比過去的計算機，光量子計算機擁有更多優勢。首先，光子不帶電荷，因此它們之間不存在電磁場相互作用在自由空間中幾束光平行傳播、相互交叉傳播，彼此之間不發生干擾，千萬條光束可以同時穿越一只光學元件而不會相互影響。其次，光子沒有質量，它既可以在半真空中傳播，也可以在介質中傳播，傳播速度比電子在導線中的傳播速度快得多（約1000倍），也就是說，光子攜帶信息傳遞的速度比電子快計算機內的芯片之間用光子互連不受電磁干擾影響，互連的密度可以很高。最后，使用光量子計算器，能夠實現超大規模的信息存儲容量以及能量消耗小，散發熱量低等。

量子計算機的發展也存在不少因難。目前國際上量子計算機研制的四大技術難關是：量子隱性遠程傳態測量中的波包塌縮；多自由度系統環境中小系統的量子耗散；量子退相干效應；量子固體電路如何在常態（常溫、常壓等）中運行量子態。既然可供實用的量子計算機尚未問世，那就說明量子計算 機研制仍然面臨某些尚未解決的困難。根據對近年來有關量子計算機研制報導資料的分析，可以看出量子計算機的研制目前面臨的主要臨困難仍然是如何克服消相干——即量子糾錯。我們知道量子計算機的建立是以量子并行計算為基礎。無論是量子并行計算還是進行量子模擬，其本質都是利用了量子相干性。失去了量子相干性，量子計算機的優越性就消失殆盡。但在實際量子計算機系統中，無論采用那種量子體系作為工作機制，量子相干性都很難永久保持。相干性的衰減即消相干總是不可避免的。為什么會形成消相干?其主要原因是系統和外界環境的相互作用。因為在量子計算機中，執行運算的量子比特不是一個孤立系統，它必然要與外部環境發生相互作用，這種作用實際上是對量子體系的一種微擾。這種微擾的長期存在可能引起量子體系狀態的改變，破壞量子體系的相干性，即導致消相干。Uruh定量分析了消相干的影響，結果表明，量子相干性的指數衰減是無法避免的，即消相干始終是存在的。

就目前而言，光量子計算機的研究進展有了重大的突破�？萍冀缬瓉砹艘粋�振奮人心的消息：世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生！根據最新的報道，實驗測試表明，該原型機的取樣速度比國際同行類似的實驗加快至少24000倍，通過和經典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。這臺光量子計算機標志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展，為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎。

縱觀量子計算機的發展過程，我們可以看到光量子計算機的研制在理論上是完全可行的。但是在研制過程中某些技術環節，如量子糾錯等方面還需繼續完善和探索。與理論上的突飛猛進相比，量子計算機的硬件的研究仍處在初級階段。已有的幾個有實用意義的實驗方案，如核磁共振、離子捕獲、空穴QED等，雖然已經取得了一定程度的成功，但是每種技術仍然有它自身嚴重的局限性。理想的工作硬件仍需要實驗物理學家努力尋找�？傮w來講，在距量子計算機問世之前還有一段艱難的路程要走，但是量子計算機的實現，已經不存在原則性的困難。按照現在的發展趨勢，可以比較肯定地預計，在不遠的將來，量子計算機必將作為超級計算設備取代經典計算機。量子計算雖然起源于理論物理這個高度特殊的領域，但是它的未來無疑有著深遠的意義，它必將對全人類的生活產生深刻的影響。

1. 于小鋒.量子計算機研制的現狀和面臨的技術困難.西安市衛生學校計算機教研組，陜西 西安

2. 郭光燦 周正威 郭國平 涂濤.量子計算機的發展現狀與趨勢.中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室合肥230026