量子计算的基本原理

量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、0

1、

10、 11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四个数，因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算能力就呈指数级提高。量子位（qubit）是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元用二进制的1个位来表示，它不是处于“0”态就是处于“1”态.在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于“0”态或“1”态外，还可处于叠加态（superposedstate).叠加态是“0”态和“1”态的任意线性叠加，它既可以是“0”态又可以是“1”态，“0”态和“1”态各以一定的概率同时存在.通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“0”态或“1”态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态（groundstate）和第1激发态（firstexcitedstate)、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。一个量子系统包含若干粒子，这些粒子按照量子力学的规律运动，称此系统处于态空间的某种量子态.态空间由多个本征态（eigenstate)（即基本的量子态）构成，基本量子态简称基本态（basicstate）或基矢（basicvector).态空间可用Hilbert空间（线性复向量空间）来表述，即Hilbert空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算，Dirac提出用符号x〉来表示量子态，x〉是一个列向量，称为ket；它的共轭转置（conjugatetranspose)用〈x表示，〈x是一个行向量，称为bra.一个量子位的叠加态可用二维Hilbert空间（即二维复向量空间）的单位向量〉来描述，其简化的示意图如右图所示.量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。世界上第一台商用量子计算机加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-WaveOne”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是——“Yes,youcanhaveone.”。其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion”（猎户座），不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。时隔四年之后，D-WaveOne终于脱胎换骨、正式登场。它采用了128-qubit（量子比特）的处理器，四倍于之前的原型机，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。另外D-wave公司将会在2013年1月将其升级至512量子比特。不过呢也别太兴奋，这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务，通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。另外为尽可能降低qubit的能级，需要利用低温超导状态下的铌产生qubit，D-Wave的工作温度需保持在绝对零度附近（20mK）。最后就是价格，2011年，NASA和Google分别以约一千万美元购置了一台512位qubit的D-Wave量子计算机。这绝对是天价中的天价了，不过也是新技术开端的必然，就像当初的第一台电子计算机ENIAC造价就有40万美元（二十世纪四十年代的40万美元）。