量子電腦

今年諾貝爾物理獎頒給原子物理和量子光學領域大師美國溫蘭德（David J. Wineland）與法國雅洛許（Serge Haroche），他們以特殊的實驗方法讓科學家首度以非破壞性方式讀取和操縱量子狀態，開啟日後量子計算的新頁，也讓原本好幾億年才能破解的密碼，變得只要兩小時內就能完成；並因為其傳輸絕對保密的特性，極適合應用在國家機密保防上。
傳輸絕對保密特性 適合應用在國安

清華大學光電所副教授李瑞光指出，量子非常脆弱，容易受到環境影響，只要任何量測動作都會破壞量子狀態，所以量子非常不容易量測。但是兩人卻是科學界首度分別以離子和原子非破壞性的實驗方法，讀取和操縱到量子狀態。

眾多電腦並聯資訊量 一台量子電腦解決

李瑞光表示，兩人讀取到的量子現象，開啟了接續的量子科學、量子計算等一連串的研究，也讓量子電腦變得可能。他說，如果遇到複雜的問題，現行電腦必須用等比級數的台數來加快計算速度；但是量子電腦卻是以等差級數的台數解決，因此速度快得太多，「可解決計算機所有沒有辦法解決的問題」。

專長原子物理與量子光學的國立成功大學物理系副教授陳泳帆解釋，美國的溫蘭德用雷射場把離子抓住，與光交互作用下會產生一種類似傳統電腦零、一位元開關的運算，但不同的是溫蘭德兩個位元彼此有關聯，而且重疊，具有平行運算的能力，因此可以讓原本要很多台電腦並聯的資訊儲存量，只要靠一台量子電腦就可解決。例如，原本需要好幾億年才能破解的銀行密碼，量子電腦只要一、兩小時就可破解。

陳泳帆表示，另一方面，量子系統又具有傳輸保密的特性，因為只要有人一進入量測，狀態就會被破壞，因此非常適合在國家軍事機密上使用。

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在高速運算的時代，光子是主角。但產生光子一直是一個複雜且耗時的過程。

直到現在，加拿大多倫多大學（University of Toronto）Amr Helmy 教授領導的工程師團隊發現了新的解決方案，能夠更容易且快速地產生特殊的光子。


Edward S. Rogers Sr. 電子與計算機工程學系教授 Helmy 表示，「這項研究提供了釋放強大但未充分利用的量子技術的潛力，走出實驗室，進入主流商業世界。」

先進的計算技術如超安全通信系統（ultra-secure communication systems）和光學量子電腦，利用光來快速傳遞資訊。為了讓這些技術能運作，能量的最小單位光子必須與另一個光子緊密結合，稱為糾纏光子對（entangled photon pairs）。

需要使用專門的實驗室中的笨重光學儀器才能產生糾纏光子對。光子在製造時容易受損，且對機械振動非常敏感。這樣的複雜性及相關成本使這項技術難以在辦公室或家裡使用。

Helmy 的團隊提供了一種創新的解決方法。這些工程師們成功設計出一種相當於實驗室設備的新整合儀器，可以利用整合電路來產生糾纏光子對。

最終，整個製造光子的過程可以用單一的晶片來完成。

附圖顯示的半導體晶片示意圖是 Helmy 的研究團隊所設計的整合電路，晶片通過複雜的電路設計從外源（藍色）接收光子。不需要其他電路或元件，兩個光子（紅色及綠色）便糾纏在一起。

由於其他試圖建立的晶片解決方案不允許添加其他元件，Helmy 的研究團隊利用能與其他現有儀器作用的半導體晶片。這使得它有可能將傳統上實驗室需要的所有元件放在同一個晶片上。

多倫多團隊與滑鐵盧大學（University of Waterloo）和奧地利的茵斯布魯克大學（Universität Innsbruck）合作測試了第一代的設備。這項發現近期發表於《物理評論通訊》（Physical Review Letters）。

光學量子計算對未來解決複雜的計算問題很重要，如將複雜的數據排序。光學電腦採用進階的現代演算法，使其速度大幅超越任何傳統電腦。利用這種晶片來產生糾纏光子對是使他們邁向商業化的重要的第一步，也許未來會有小的量子光學配件。

作者：駐加拿大台北經濟文化代表處科技組

Explaining Quantum Computing( 解釋量子計算)

Quantum computers store and process information using quantum mechanical states. This video by futurist Christopher Barnatt explains what this means and the future implications.

For more information see http://www.explainingcomputers.com/quantum.html

量子電腦

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA
量子計算機是一種使用量子邏輯實現通用計算的設備。不同於電子計算機，量子計算用來存儲數據的對象是量子位元，它使用量子演算法來進行數據操作。一般認為量子計算機仍處於研究階段。 然而2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 發布了一款號稱 「全球第一款商用型量子電腦」的計算設備「D-Wave One」^[1]。 該量子設備是否真的實現了量子計算目前還沒有得到學術界廣泛認同^[2]。

歷史
隨著計算機科學的發展，史蒂芬·威斯納在1969年最早提出「基於量子力學的計算設備」。而關於"基於量子力學的訊息處理"的最早文章則是由亞歷山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬·印戈登（1976）和尤里·馬尼（1980）年發表^{[3][4][5] [6]}。史蒂芬·威斯納的文章發表於1983年^[7]。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來。1982年，理察·費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型 ^[8]。人們研究量子電腦最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。當使用計算機類比量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的類比所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理察·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來類比量子現象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生。

量子計算機在1980年代多處於理論推導狀態。1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質因數分解演算法後^[9]，因其對於現在通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。

半導體靠控制積體電路來記錄及運算資訊，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算資訊。 1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子電腦能做出對數運算^[10]，而且速度遠勝傳統電腦。因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體比成單一樂器，量子電腦就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40位元的量子電腦，就能解開1024位元電腦花上數十年解決的問題。

量子計算機的基本概念
量子電腦，顧名思義，就是實作量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先看傳統計算。傳統電腦從物理上可以被描述為對輸入訊號序列按一定演算法進行變換的機器，其演算法由電腦的內部邏輯電路來實作。

• 經典電腦具有如下特點：

1. 其輸入態和輸出態都是傳統訊號，用量子力學的語言來描述，也即是:其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進制序列，用量子記號，即。所有的輸入態均相互正交。對經典電腦不可能輸入如下疊加態：。
2. 傳統電腦內部的每一步變換都演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，傳統電腦中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應於經典電腦的以上兩個限制，量子電腦分別作了推廣。量子電腦的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子位元（qubits））,量子電腦的變換（即量子計算）包括所有可能的正變換。

• 因此量子電腦的特點為:

1. 量子電腦的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；
2. 量子電腦中的變換為所有可能的正變換。得出輸出態之後，量子電腦對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。

由此可見，量子計算對傳統計算作了極大的擴充，傳統計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相干性。量子電腦對每一個疊加分量實作的變換相當於一種經典計算，所有這些傳統計算同時完成，並按一定的機率振幅疊加起來，給出量子電腦的輸出結果。這種計算稱為量子並列計算。

目前發展的系統

包括如下物理系統：

• 液態核磁共振量子電腦（liquid-state NMR quantum computer）
• 固態核磁共振量子電腦（silicon-based NMR quantum computer）
• 離子陷阱（ion trap）
• 量子光學（quantum optics）
• 腔室量子電動力學（cavity QED）
• 超導體方案
• 拓撲量子計算（topological quantum computing）

相關條目

• 量子資訊科學
• 量子計算
• 電子計算機

參考

1. ^ Quantum annealing with manufactured spins, Nature 473-7346
2. ^ Controversial Computer Is at Least a Little Quantum Mechanical, Science, 13 May 2011
3. ^ Holevo, A.S. (1973), 『Bounds for the quantity of information transmitted by a quantum communication channel』, Problemy Peredachi Informatsii, 9(3): 3–11. English translation in Problems of Information Transmission, 9: 177–183, 1973.
4. ^ Ingarden, R.S. (1976), 『Quantum information theory』, Rep. Math. Phys., 10: 43–72.
5. ^ Manin, Y. (1980), Computable and Uncomputable, Moscow: Sovetskoye Radio.
6. ^ Poplavskii, R.P (1975), 『Thermodynamical models of information processing』, (in Russian). Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 115(3): 465–501.
7. ^ Wiesner, S. (1983), 『Conjugate coding』, Sigact news, 18: 78–88.
8. ^ David Deutsch, Quantum theory, the Church-Turingprinciple and the universal quantum computer, Proc. R. Soc. Lond.
9. ^ Shor, Peter W. (1997), "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer", SIAM J. Comput. 26 (5): 1484–1509, arXiv:quant-ph/9508027v2
10. ^ Peter Shor, Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring, IEEE Symposium on Foundations of Computer Science 124-134(1994)

 外部連結

D-Wave One
D-Wave Systems sells its first Quantum Computing System to Lockheed Martin Corporation - May 25th, 2011
Loser: D-Wave Does Not Quantum Compute
On quantum physics and computer simulation, R.P.Feynman
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer