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第 M
卷第
1
期
武汉理工大学学报·信息与管理工程版
Vo
l.
24
No.1
Feb.2α
)2
2
眼年
2
月
JOURNAL
OF
WUT
(INFORMATION
&
MANAGEMENT
ENGINEERING)
文章编号:
1ω7
-
144X(2002)01
-
0022
-
03
量子信息与量子计算机
李建青,沈国金,赵中云
(武汉理工大学理学院,湖北武汉
43
∞
70)
摘
要:量子信息和量子计算机是由量子力学和计算机理论结合的新兴学科,是近年来的研究热点,具有重
要的发展前途和应用前景。介绍了有关量子信息和量子计算机的基本概念:量子态、量子位、量子储存器、量
子逻辑门和量子并行运算,并简述了量子计算机的主要发展状况。
关键词:量子态;量子信息;量子并行运算;量子计算机
中图法分类号:四
201
文献标识码
:A
1
前言
众所周知,量子物理学是
20
世纪初与相对
论并肩崛起的又一场物理科学的重大变革,是探
索微观粒子运动规律的物理学新理论。它的建
立和发展又带动了整个自然科学和技术的革命,
形成了一系列分支学科和高新技术。可以毫不
夸张地说,现代的高新科学技术元一不与量子物
理学密切相关。近年来,由于物理学家和计算机
科学家的共同努力,使量子物理学与信息科学有
机结合成一门新兴学科一一量子信息技术。这
门交叉学科具有很多有待开垦的研究领域,有重
要的发展前途和应用前景,并将引起通讯和信息
处理的一场革命。
2
量子信息的基本概念
2.1
量子态与信息论
信息即消息,也就是事物的存在和变化的情
况。从信息论的观点来看,无论是电学、光学及
量子力学系统,都是用来传递消息的。用电学系
统传递随空间变化的电讯号,用光学系统传递随
时间变化的图像,用量子系统传输、控制作为信
息载体的量子态。
量子系统与经典系统的一个最大区别是它
可以处于不同的叠加态,因此量子态具有较大的
信息存储能力。一个纯量子态中各叠加成分的
系数模值、内部相因子和纠缠模式都可以荷载人
们设定的信息,
1
昆态同样也可以用来作为信息的
载体。于是,对量子态的制备、操控、储存和传
递,就开辟了量子信息论这一新领域。
收稿日期:
2
∞
l
础。1.
2.2
量子位{甲
bi
t}与量子寄存器
位
(bit)
是计算机信息的基本单元。一个位
是一个有
2
个状态的物理系统。经典计算机中
电流经过二极管的"通"或"断飞种状态作为
1
个
位,这个位的取值可为
O
或
1
,对应于"通"或
"断"作为二进制计算的基础。
量子计算机中,当用
10>
和
11
>表示
1
个原
子所处基态和激发态时,可选择
10>
和门
>2
个
量子态作为一个量子位。根据量子态的叠加性,
叠加态|泸>
=
CI
1 0 > + C2 1 1
>也是原子的
1
个可能态,即原子可以同时处于
10>
和
1
1 > 2
个态。|功〉也可表示一个量子位。量子位对应于
量子态
10>
或
1
1 >
,作为量子计算机二进制计
算的基础。几个量子位的表示方法如下
:6
的二
进制表示是
110
,量子位表示是
1110>
或
16>
,即
16>=1110>
。
量子位的具体物理实现可以是多种多样的,
如光的
2
个偏振方向,核或电子的自旋方向等。
量子寄存器是存储一系列量子位的体系。
寄存器可以表示为选取量子体系希尔伯特空间
的一个波函数,可随时间变化。有时不严格区分
寄存器和它所处的态。
量子计算机与经典机的不同之处是需要
2
个量子存储器,即输入存储器和输出存储器。而
且
2
个存储器中的量子态处于一种特殊的量子
相关联的状态,称为量子纠缠态。
2.3
量子逻辑门与量子并行运算
量子逻辑门是量子计算机的最基本构造单
元之一。量子计算机中量子态的操控是通过量
作者简介:李建青(1
961-
).,女,山东济南人,武汉理工大学理学院副教授.