量子计算

近几年来,量子计算机逐渐引起人们的关注。对于计算机科技人员,量子计算机似乎高深莫测。文章是专门为那些不懂量子力学而又想了解量子计算机的计算机工作者撰写的。介绍了和量子计算有关的术语和符号,并着重阐明一个n位量子寄存器为何能存储2^n个n位数？量子计算机的一次操作为何能计算所有x的f(x)？对于解栽些问题,量子计算机为何能有惊人的运算速度？除了上面3个问题外,还将介绍基本的量子逻辑门和量子逻辑网络,接着介绍一个量子算法,然后介绍量子计算机的组织结构,最后是讨论,将评价量子计算机的优势和弱点,并讨论量子计算机的物理实现和对量子计算的展望。     

量子计算机:量子算法与物理实现

量子算法与物理实现是量子计算机研究中的两个基本问题。本文首先总结了相关领域的主要进展,并讨论了有代表性的量子算法,特别介绍了用于求解线性方程组的量子算法,分析了影响新量子算法提出的因素。然后,探讨了物理实现的迪文森佐判据,并介绍了典型的实现方案及性能比较。同时,也关注了对量子计算机研究持有异议的观点。最后,对量子计算机的新研究方向作了探讨。     

多量子位Grover量子搜索算法的NMR仿真实现

核磁共振（NMR）技术目前是能有效实现量子计算的物理体系之一。多量子算符代数理论可以将幺正变换分解为一系列有限的单量子门和对角双量子门的组合。本文以核磁共振和多量子算符代数理论为基础，提出了实现多量子位Grover量子搜索算法的核磁共振脉冲序列设计方法，并在量子计算仿真程序上进行了3量子位的Grover量子搜索算法的实验验证。     

Grover量子搜索算法的仿真实现

利用核磁共振(NMR)实验技术来实现量子计算,是当前各种验证量子算法最为有效的方法之一,但这个方法首先必须把量子算法编译成在现代超导核磁共振谱仪上能够直接执行的NMR脉冲序列,即NMR量子计算程序。在NMR技术中通常只要施加合适的射频脉冲,便可以达到使核自旋翻转以实现某种逻辑功能的目的,该文讨论了如何设计多量子位核磁共振(NMR)脉冲序列来实现Grower量子搜索算法,并在量子仿真器(QCE)上进行了实验验证。     

新量子技术时代下的信息安全

量子技术将在未来深刻影响密码学以及信息安全行业。可以利用上千个量子比特运行量子算法的通用量子计算机将直接威胁信息安全基础算法,导致当前广泛使用的RSA等公钥密码被破解,也会使分组密码算法的密码强度减半。量子通信中量子密钥分发的实施会改变传统保密通信的物理结构。这些重大 应用价值也是发展量子技术的驱动力。结合当前一些关于量子技术的热点新闻,从量子计算和量子通信两个方面分别综述了量子技术对信息安全技术的影响。同时简要介绍了这些技术的最新发展现状,包括通用型和专用型量子计算机的发展、量子密钥分发技术实验室环境的进展以及天地一体化量子通信网络的发展状况等。最后对信息安全技术的未来形态做了思考和总结。未来量子技术将会与现有各种技术深度融合,共同存在。     

量子搜索算法体系的仿真实现及研究

核磁共振（NMR）技术被认为是最为有效的实现量子计算的物理体系之一。多量子算符代数理论可以将幺正变换分解为一系列有限的单量子门和对角双量子门的组合。本文以核磁共振和多量子算符代数理论为基础，提出了实现任意相位旋转角度的一般化量子搜索算法的核磁共振脉冲序列设计方法，并在量子计算仿真程序上进行了双量子位的不同相位旋转角度的量子搜索算法的实验验证。     

量子计算机进入实验阶段

首先简要介绍分层计算的制约;其次介绍最近量子信息的开发,在理论和实践两方面的通信和计算,诸如量子逻辑门、量子密码学、量子交缠性、超距传输的实验性实现、量子算法的首次实验性实现、量子因子分解、量子纪错码以及基于硅片的原子自旋量子计算机;最后讨论克服非相干性困难的方法。     

量子傅立叶变换算法的仿真实现

利用核磁共振（NMR）实验技术来实现量子计算,是当前各种验证量子算法最为有效的方法之一,但这个方法首先必须把量子算法编译成在现代超导核磁共振谱仪上能够直接执行的NMR脉冲序列,亦即NMR量子计算程序，在NMR技术中,通常只要施加合适的射频脉冲,便可以达到使核自旋翻转以实现某种逻辑功能的目的，本文讨论如何设计多量子位核磁共振（NMR）脉冲序列来实现量子傅立叶变换算法,并在量子仿真器（QCE）上进行实验验证。     

量子计算与量子计算机

量子计算的强大运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景。该文简要介绍了量子计算的发展现状和基本原理,列举了典型的量子算法,阐明了量子计算机的优越性,最后预测了量子计算及量子计算机的应用方向。     

基于测量的量子线路

量子线路模型是使用最广泛的量子计算模型,它对于量子算法的构造和量子计算机的物理实现提供了一个基本框架.利用测量演算和分布式量子计算的基本思想,提出了测量量子线路模型(measurement quantum circuits model).测量量子线路主要考虑测量结果对酉运算的影响,测量结果和酉运算之间的关系以及测量基量子线路的在纯态和混合态上的作用.讨论了2个基元运算的并运算,以及连接运算,它们都是封闭的.基于此,定义测量量子线路的基本运算元,并证明任何一个测量量子线路是一个量子运算并举例得以说明.     

一种高效、容错的通用量子计算机体系结构

通用量子计算(universal quantum computer)在求解某些在经典计算机上具有超多项式复杂度的问题方面存在着潜在的巨大优势.通用量子计算机体系结构在很大程度上影响量子计算功效和量子程序设计风格.文中提出一种通用量子计算机的体系结构,并考虑了在该体系结构下计算能力的扩展和容错性能等问题.     

量子计算模拟及优化方法综述

在处理某些大规模并行问题时,量子计算因量子位独特的叠加态和纠缠态特性,相比经典计算机在并行处理方面具有更明显的优势。现阶段,物理量子比特计算机受限于可扩展性、相干时间和量子门操作精度,在经典计算机上开展量子计算模拟成为研究量子优越性和量子算法的有效途径。然而,随着量子比特数的增加,模拟所需的计算机资源呈指数增长。因此,研究大规模量子计算模拟在保证计算准确度、精度及效率的情况下减少模拟所需资源具有重要意义。从量子比特、量子门、量子线路、量子操作系统等方面展开,阐述量子计算的基本原理和背景知识。同时总结基于经典计算机的量子计算模拟基本方法,分析不同方法的设计思路和优缺点,列举目前常见的量子计算模拟器。在此基础上,针对量子计算模拟的通信开销问题,从节点拆分和通信优化2个方面出发,讨论基于超级计算机集群的量子计算模拟优化方法。     

Universality and programmability of quantum computers

Manin, Feynman, and Deutsch have viewed quantum computing as a kind of universal physical simulation procedure. Much of the writing about quantum logic circuits and quantum Turing machines has shown how these machines can simulate an arbitrary unitary transformation on a finite number of qubits. The problem of universality has been addressed most famously in a paper by Deutsch, and later by Bernstein and Vazirani as well as Kitaev and Solovay. The quantum logic circuit model, developed by Feynman and Deutsch, has been more prominent in the research literature than Deutsch’s quantum Turing machines. Quantum Turing machines form a class closely related to deterministic and probabilistic Turing machines and one might hope to find a universal machine in this class. A universal machine is the basis of a notion of programmability. The extent to which universality has in fact been established by the pioneers in the field is examined and this key notion in theoretical computer science is scrutinised in quantum computing by distinguishing various connotations and concomitant results and problems.     

基于经典存储器的量子计算机存储系统

量子计算机具有许多与经典计算机不同的量子特性,其性能远远优于经典计算机,但量子力学特有的性质也使得量子计算机的设计方法不同于经典计算机。在量子计算机中应用经典计算机的存储层次将会遇到一些前所未有的困难,文章提出了一种解决方案,以便能够在量子计算机的存储系统中应用与经典计算机类似的层次结构来提高访存性能。最后,文章给出了这种层次结构下访存性能的分析结果,指出了在何种条件下才能最大程度地发挥层次结构的性能。     

Realizations of quantum computing using optical manipulations of atoms

We present a tutorial review of realizations of quantum computing whichare based on optical manipulations of atoms. Other realizations arebriefly mentioned. The ion trap quantum computer is considered in moredetail as a classical realization of quantum logic.