通用量子計(jì)算機(jī)的組成及實(shí)現(xiàn)

許鐵山

摘要 量子計(jì)算作為一個(gè)多學(xué)科交匯與整合的學(xué)科，是量子力學(xué)與計(jì)算機(jī)科技融合的產(chǎn)物。量子計(jì)算機(jī)為人類文明發(fā)展史的壯舉之一。文章首先對(duì)量子計(jì)算的優(yōu)勢進(jìn)行概述，其次分析量子計(jì)算的流程，最后對(duì)量子計(jì)算機(jī)設(shè)備的具體構(gòu)成進(jìn)行列舉。希望對(duì)通用量子計(jì)算機(jī)的研制發(fā)揮理論指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算 量子計(jì)算機(jī)設(shè)備 優(yōu)越性具體組成

通用量子計(jì)算機(jī)可以在不整改量子計(jì)算機(jī)物理成分與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)可計(jì)算的量子與他類量子進(jìn)行處理。從很大程度上分析，通用量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)有極大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，這主要是因?yàn)槠錄_破了傳統(tǒng)計(jì)算與電子計(jì)算機(jī)的束縛，借用布爾代數(shù)邏輯進(jìn)行計(jì)算。本文以通用量子計(jì)算機(jī)為論點(diǎn)，對(duì)其組成與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 量子計(jì)算的優(yōu)越性

1.1 信息的呈現(xiàn)與存儲(chǔ)

在傳統(tǒng)計(jì)算中，數(shù)據(jù)信息采用二進(jìn)制數(shù)值的方式呈現(xiàn)與存管，比特為信息的基本度量單位，也可以被看做一個(gè)值域是（0，1）的隨機(jī)變量，這代表著一個(gè)比特在所有時(shí)刻數(shù)值是O或1，這是不可取的。但是布爾邏輯所呈現(xiàn)的都是實(shí)線性空間，若需要借助拓展二進(jìn)制數(shù)值位數(shù)的方式去提升數(shù)據(jù)信息的呈現(xiàn)與存儲(chǔ)能力，線性增長是最后的結(jié)局。但是與其相反，量子態(tài)的累加性在量子力學(xué)第一公設(shè)體現(xiàn)出來，所有量子態(tài)都具備呈現(xiàn)與存儲(chǔ)是O和1的線性累加，在這樣的情景中，量子數(shù)據(jù)信息均可以被呈現(xiàn)與存儲(chǔ)在上述量子態(tài)模式中。伴隨著量子位數(shù)的增加，量子信息呈現(xiàn)與儲(chǔ)存的空間均以指數(shù)形式拓展。

1.2 信息的處理

在計(jì)算理論內(nèi)，信息處理的能力在數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)能力與問題的求解空間兩方面體現(xiàn)出來。在Hilbert空間中，因?yàn)榱孔討B(tài)的累加性，量子算法解決的問題呈現(xiàn)與求解空間都是輸入的指數(shù)規(guī)模。故此，一些特別的函數(shù)就可以于多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)處理初始指數(shù)繁雜性問題，現(xiàn)如今，該類屬性已經(jīng)被用于很多量子算法中。另外，量子計(jì)算作為量子信息的一類基本處理辦法，在量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)等區(qū)域發(fā)展中的應(yīng)用，體現(xiàn)出一定價(jià)值。

2 量子計(jì)算的流程

結(jié)合現(xiàn)代群體對(duì)量子計(jì)算的認(rèn)知，量子計(jì)算被視為一種以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的計(jì)算模式。采用計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)所有計(jì)算的專研都要探究如下兩個(gè)因素：

（1）“算什么”，即為計(jì)算的對(duì)象;

（2）“如何算”，即計(jì)算的規(guī)則與程序。

對(duì)于量子計(jì)算來說，計(jì)算的對(duì)象就是遵從量子力學(xué)的基本原理，以及采用量子態(tài)呈現(xiàn)的量子信息;計(jì)算的規(guī)則與程序就是在密閉的物理環(huán)境中的酉轉(zhuǎn)型和計(jì)算。量子計(jì)算的步驟通常可以做出如下總結(jié)：

步驟1：初化（“入”）。數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入量子計(jì)算的過程，具體是指數(shù)據(jù)信息借助某種方式的編碼轉(zhuǎn)型為相關(guān)量子態(tài)，等同于原始量子態(tài)的制作過程。

步驟2：演化（“算”）。實(shí)質(zhì)上是量子信息采用量子態(tài)的方式于量子力學(xué)基本原理構(gòu)架下進(jìn)行酉演化的過程。在這一流程中，初化以后得數(shù)據(jù)信息參照量子算法的程序轉(zhuǎn)化為計(jì)算結(jié)果。

步驟3：測量（“測”）。把上述酉演化結(jié)束以后得計(jì)算結(jié)果借助測量轉(zhuǎn)型為具有代表性結(jié)果的過程。

3 通用量子計(jì)算機(jī)的具體構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

3.1 存儲(chǔ)器

其功能在于存儲(chǔ)量子計(jì)算所關(guān)聯(lián)的經(jīng)典數(shù)據(jù)或量子數(shù)據(jù)的中間結(jié)果或最終結(jié)果。業(yè)內(nèi)人士通常把存儲(chǔ)器細(xì)化為兩種類型：

（1）經(jīng)典存儲(chǔ)器存儲(chǔ)經(jīng)典計(jì)算過程中所形成的經(jīng)典數(shù)據(jù)（二進(jìn)制方式）;

（2）經(jīng)典計(jì)算機(jī)管控量子計(jì)算過程所形成的數(shù)據(jù)。

此外，量子儲(chǔ)存器也是量子計(jì)算進(jìn)行的場合，等同于量子數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，這和經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)存在區(qū)別，有助于提升量子計(jì)算的容錯(cuò)性和質(zhì)量。

3.2 運(yùn)算器

傳統(tǒng)計(jì)算中，運(yùn)算器被叫做“算數(shù)邏輯運(yùn)算器（ALU）”但是在本文提及的量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算器具備經(jīng)典算數(shù)、邏輯運(yùn)算以及管控所需經(jīng)典計(jì)算的功能。ALU可以與經(jīng)典控制器合力對(duì)信息的通信情況進(jìn)行管理，同時(shí)和經(jīng)典存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)流的交匯。

3.3 控制器

通用量子計(jì)算機(jī)的控制器為主控端經(jīng)典計(jì)算機(jī)的控制器。控制器不僅管控經(jīng)典計(jì)算過程，而且還在相關(guān)系統(tǒng)軟件的協(xié)助下，借助主控端和量子運(yùn)算過程的借口，與通信設(shè)施共同管控量子協(xié)處理端的不同構(gòu)件。

3.4 輸入設(shè)備

在通用量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，經(jīng)典計(jì)算過程的輸入設(shè)備和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)內(nèi)所闡述的輸入設(shè)備沒有差異。量子計(jì)算過程的輸入設(shè)備為一類把經(jīng)典計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)型為量子計(jì)算所應(yīng)用數(shù)據(jù)類型的經(jīng)典設(shè)施，被叫做“量子輸入界面設(shè)備”。但是，量子輸入界面設(shè)備自體不操控量子態(tài)，而是僅接受形成量子態(tài)的概率幅信息的管控。只有在量子運(yùn)算器的協(xié)助下，概率幅信息才會(huì)轉(zhuǎn)型為量子數(shù)據(jù)的物理態(tài)，并安置在量子存儲(chǔ)器中。此外，量子輸入界面設(shè)備和量子運(yùn)算器間建設(shè)了單向數(shù)據(jù)流關(guān)系，同時(shí)借助通信接口和控制器建設(shè)控制流交互關(guān)系。

3.5 輸出設(shè)備

該體系結(jié)構(gòu)中的經(jīng)典計(jì)算過程采用的輸出設(shè)備和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)中所闡述的輸出設(shè)備一樣。量子運(yùn)算環(huán)節(jié)的輸出設(shè)備為一類把量子態(tài)轉(zhuǎn)型為經(jīng)典數(shù)據(jù)的設(shè)備，具備量子物理特性的同時(shí)，也帶有經(jīng)典物理特性，被叫做“量子輸出界面設(shè)備”。量子輸出界面設(shè)備內(nèi)存有一個(gè)量子測量構(gòu)件，其屬于量子設(shè)備。量子輸出界面設(shè)備受控于主控端，直接參照地址訪問量子存儲(chǔ)器內(nèi)的某一量子位，量子測量構(gòu)件對(duì)其進(jìn)行投影測量，經(jīng)測量后的量子位狀態(tài)向基本征值（O或1）坍縮，坍縮致使呈現(xiàn)量子態(tài)的某一物理量產(chǎn)生定性變化，該變化被測量構(gòu)件發(fā)展，并參照其矢量的正負(fù)或相位，把它映射為經(jīng)典數(shù)據(jù)O或1，最后采用經(jīng)典比特的方式將其輸出。

4 結(jié)束語

綜合全文，對(duì)通用量子計(jì)算機(jī)所需的體系結(jié)構(gòu)必需條件與設(shè)備有所認(rèn)知，在該體系結(jié)構(gòu)的輔助下，量子計(jì)算機(jī)設(shè)備可以進(jìn)行通用、容錯(cuò)、有效的量子計(jì)算，同時(shí)也可以有效的規(guī)避資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。在后續(xù)科研工作中，應(yīng)以經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力模擬軟件為基礎(chǔ)，供應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以不斷強(qiáng)化通用量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的完善性。

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