光量子计算机的原理及研究进展

电子计算机主宰了过去的一个世纪，目前世界上的主流计算机开发公司诸如英特尔、IBM 公司和AMD公司仍然继续使用电子电路开发更小和更快的微处理器。然而，随着时代的进展，更加高速、携带信息更多的通信技术越来越受到社会的强烈需求。计算技术的未来在于光子计算这些技术包括纳米技术、量子技术、光交换技术等。光电子技术的发展前景不可限量。第一个研制出光子微处理器的国家将毋庸置疑地占据在计算技术领域中的领先地位并且确保 巨大的经济收益 。

正如我们所熟知，光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

相比过去的计算机，光量子计算机拥有更多优势。首先，光子不带电荷，因此它们之间不存在电磁场相互作用在自由空间中几束光平行传播、相互交叉传播，彼此之间不发生干扰，千万条光束可以同时穿越一只光学元件而不会相互影响。其次，光子没有质量，它既可以在半真空中传播，也可以在介质中传播，传播速度比电子在导线中的传播速度快得多（约1000倍），也就是说，光子携带信息传递的速度比电子快计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。最后，使用光量子计算器，能够实现超大规模的信息存储容量以及能量消耗小，散发热量低等。

量子计算机的发展也存在不少因难。目前国际上量子计算机研制的四大技术难关是：量子隐性远程传态测量中的波包塌缩；多自由度系统环境中小系统的量子耗散；量子退相干效应；量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态。既然可供实用的量子计算机尚未问世，那就说明量子计算 机研制仍然面临某些尚未解决的困难。根据对近年来有关量子计算机研制报导资料的分析，可以看出量子计算机的研制目前面临的主要临困难仍然是如何克服消相干——即量子纠错。我们知道量子计算机的建立是以量子并行计算为基础。无论是量子并行计算还是进行量子模拟，其本质都是利用了量子相干性。失去了量子相干性，量子计算机的优越性就消失殆尽。但在实际量子计算机系统中，无论采用那种量子体系作为工作机制，量子相干性都很难永久保持。相干性的衰减即消相干总是不可避免的。为什么会形成消相干?其主要原因是系统和外界环境的相互作用。因为在量子计算机中，执行运算的量子比特不是一个孤立系统，它必然要与外部环境发生相互作用，这种作用实际上是对量子体系的一种微扰。这种微扰的长期存在可能引起量子体系状态的改变，破坏量子体系的相干性，即导致消相干。Uruh定量分析了消相干的影响，结果表明，量子相干性的指数衰减是无法避免的，即消相干始终是存在的。

就目前而言，光量子计算机的研究进展有了重大的突破。科技界迎来了一个振奋人心的消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生！根据最新的报道，实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少24000倍，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。这台光量子计算机标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。

纵观量子计算机的发展过程，我们可以看到光量子计算机的研制在理论上是完全可行的。但是在研制过程中某些技术环节，如量子纠错等方面还需继续完善和探索。与理论上的突飞猛进相比，量子计算机的硬件的研究仍处在初级阶段。已有的几个有实用意义的实验方案，如核磁共振、离子捕获、空穴QED等，虽然已经取得了一定程度的成功，但是每种技术仍然有它自身严重的局限性。理想的工作硬件仍需要实验物理学家努力寻找。总体来讲，在距量子计算机问世之前还有一段艰难的路程要走，但是量子计算机的实现，已经不存在原则性的困难。按照现在的发展趋势，可以比较肯定地预计，在不远的将来，量子计算机必将作为超级计算设备取代经典计算机。量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。

1. 于小锋.量子计算机研制的现状和面临的技术困难.西安市卫生学校计算机教研组，陕西 西安

2. 郭光灿 周正威 郭国平 涂涛.量子计算机的发展现状与趋势.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