量子计算机原理

量子计算机： ●量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限 ●一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多 ●用量子搜寻算法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间 ●量子密钥体系采用量子态作为信息载体，其安全性由量子力学原理所保证 ●基于量子隐形传态过程，可以实现多端分布运算，构成量子因特网 ●薛定谔“猫”和EPR佯谬 量子力学的诞生深刻地改变了人类社会：在20世纪推动了社会发展的核能、激光、半导体等高科技，都是源于量子力学。然后，自然界是否确实按照量子理论的规律运行？以爱因斯坦为代表的一方始终认定量子力学不是完备的理论，“上帝是不会玩骰子的”，而以哥本哈根学派领袖玻尔为代表的另一方则坚信量子理论的正确性。 量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态，著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念。事实上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的焦点也在这个量子态。在近百年的学术争论中，影响最大的就是薛定谔（1935年）提出的所谓“薛定谔猫”佯谬和爱因斯坦等人（1935年）提出的EPR佯谬。 薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以1／2几率放射出一个粒子。换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着。现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于零和1的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。这只似死似活、半死半活的猫就是著名的“薛定谔猫”。 在这个假想实验中，抛掉“猫”这个形象表征之外，薛定谔想要阐述的物理问题是：微观世界遵从量子叠加原理，那么，如果自然界确实按照量子力学运行的话，宏观世界也应遵从量子叠加原理。薛定谔的实验装置巧妙地把微观放射源与宏观的猫联接起来，最终诞生出这只可笑的薛定谔猫，结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠加态。然而，随着量子光学的发展，人们研制各种制备宏

观量子叠加态的方案，1997年科学家终于在离子阱中观察到这种“薛定谔猫”态。薛定谔的问题还可以进一步扩展为：宏观世界中是否存在有量子效应？事实上，大量实验事实都肯定地回答了这个问题。最近几年引起广泛兴趣的玻色———爱因斯坦凝聚的实验研究进展更有力证实了宏观量子效应。“ EPR佯谬”在近60多年的量子力学的发展中起着重要的推动作用，它是爱因斯坦用来与玻尔做最重要一次争论的假想实验，这个实验所预示的结果完全遵从量子力学原理，但却令人难以接受。设想有一对总自旋为零的粒子（称为EPR对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子A在地球上，而粒子B在月球上。量子力学预言，若单独测量A（或B）的自旋，则自旋可能向上，也可能向下，各自概率为1／2。但若地球上已测得粒子A的自旋向上，那么，月球上的粒子B不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。爱因斯坦认定真实世界绝非如此，月球上的粒子B决不会受到地球上对 A测量的任何影响。因此，毛病来自量子力学理论的不完备性，即不足以正确地描述真实的世界。玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子 A和B之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个粒子实行局域操作（如上述的测量），必然会立刻导致另一个粒子状态的改变，这是量子力学的非局域性。 这场争论的本质在于：真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的非局域性理论。长期以来，这个争论停留在哲学上，难以判断“孰是孰非”，直到 Bell基于爱因斯坦的隐参数理论而推导出著名的 Bell不等式，人们才有可能在实验上寻找判定这场争论的依据。法国学者首先在实验上证实了 Bell不等式可以被违背，支持了玻尔的看法。之后，随着量子光学的发展，有更多的实验支持了这个结论。1997年瑞士学者更直截了当地在10公里光纤中测量到作为 EPR对的两个光子之间的量子关联。因此，现在我们可得出结论：①量子力学是正确的（起码迄今完全与实验事实相自洽）；②非局域性是量子力学的基本性质。现在这种由爱因斯坦等人在其佯谬中首先揭示的量子关联效应常被称为 EPR效应，它是非局域性的体现。 事实上，按照量子力学理论， EPR粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违背 Bell不等式，有着奇特的性质：我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，现在实验上已成功地制备这类纠缠态。自发参量下转换的非线性光学过程所产生的孪生光子对就是在频域、方向、偏振上形成纠

缠的 EPR对，采用腔量子电动力学方法也已制备出原子纠缠态。