量子计算原理及研究进展
科技导报，35(23)
量子计算原理及研究进展量子计算原理及研究进展
韩永建，李传锋，郭光灿
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
摘要摘要 量子计算机是量子力学与计算问题相结合的产物，是近几年的研究热点，引起了广泛的社会关注。本文回顾量子计算机
的发展，介绍了量子算法和量子计算模型，并以离子阱和超导线路为例阐述了量子计算机的物理实现，然后介绍了为了克服消相
干而发展出的量子编码，以玻色取样为例讨论了量子霸权。展望未来，近期内可以展示量子霸权，进而实现解决特定问题的量子
模拟器，但是普适的量子计算机的研制仍然需要很长的时间。
关键词关键词 量子计算；量子算法；量子编码；离子阱；超导线路
随着现代微电子加工技术的不断提高，电子线路的尺寸 (即Deutsch-Jozsa算法)，在他们提出的这个问题中，量子计算
越来越小。当不同线路之间的距离达到原子尺寸时，电子在 相对于经典计算具有指数的加速。随后1993年Bernstein 和
不同线路之间的隧穿将不可忽略，经典电子线路模型将不再 [4] [5]
Vazirani 以及Simon 均提出了以他们名字命名的量子算法。
适用。要研究电子在这种线路种的性质，需要使用量子力 这些算法都表明在解决某些特定问题时量子计算机相对于经
学。此外随着电子线路集成度的不断提高，散热成为一个关 典计算机具有优势。然而这些特定问题都是人为设计出来
键问题。根据Landauer擦除定理，在不可逆过程中，热量与 的，不对应现实问题，其影响力还仅仅局限于学术圈内。
不可逆操作的规模密切相关：集成度越高，单位面积上产生
的热量越多。在集成度很高时，如何散热成为电子线路的巨 1 量子算法
大挑战，处理不好就会将电路烧坏。基于量子力学基本原理 是否能找到一个现实的问题，量子计算机比经典计算更
的量子计算机，由于其计算的可逆特性，不会因非可逆操作 [6-7]
优越呢？1994年，Shor 提出了著名的大数因子算法，这个
带来热量。量子计算机不仅能解决经典计算机所面临的一 算法表明量子计算机可以有效地求解大数因式分解问题。
些瓶颈问题，更重要的是，它原理上就不同于经典计算机，在 大数因式问题是指：给定一个整数Q，它是2个质数的乘积，
解决某些困难问题时，相比经典计算机具有压倒性优势。
找出这2个质数。此问题是一个NP问题(给一个问题的答案
[1]
将量子力学和计算问题相结合的思想 是由费曼(Feyn⁃ 可以多项式时间内验证正确性)，到目前为止，还没有找到有
man)于1982年提出的，按照他的设想可以用标准量子系统
效的经典算法，最好的算法其复杂度也会随着问题的规模指
(容易操控的系统)实现对复杂量子系统的模拟，进而解决经
数增长。更为重要的是，大数因式分解问题的复杂性是目前
典计算机无法解决的量子问题，特别是量子多体物理问题
广泛使用的RSA密钥系统的理论基础，Shor算法不仅证明了
(多体系统的希尔伯特空间随着系统尺寸指数增长，经典计
量子算法的优越性，更动摇了现行的RSA密码系统的安全性
算机无法有效处理)。虽
