量子力学与量子纠缠的关系范文

关键词:量子力学量子计算机

中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)02-106-01

1量子力学对计算机技术发展的影响

自1646年第一台电子计算机问世以来,其芯片发展速度日益加快。按照芯片的摩尔定律,其集成度在不久的将来有望达到原子分子量级。在享受计算机飞速发展带来的种种便利的同时,我们也不得不面临一个瓶颈问题,即根据量子力学理论,在芯片发展到微观集成的时候,量子效应会影响甚至完全破坏芯片功能。因此,量子力学对计算机技术发展具有决定性作用。

1.1量子力学简介

量子力学是近代自然科学的最重要的成就之一.在量子力学的世界里,一个量子微观体系的状态是由一个波函数来描述的,而非由粒子的位置和动量描述,这就是它与经典力学最根本的区别。

1.2量子力学与量子计算机

量子力学的海森堡测不准原理决定了粒子的位置和动量是不能同时确定的()。当计算机芯片的密度很大时(即很小)将导致很大,电子不再被束缚,产生量子干涉效应,而这种干涉效应会完全破坏芯片的功能。为了克服量子力学对计算机发展的限制,计算机的发展方向必然和量子力学相结合,这样不仅可以越过量子力学的障碍,而且可以开辟新的方向。

量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机.保罗•贝尼奥夫在1981年第一次提出了制造量子计算机的理论。量子计算机的存储和读写头都以量子态存在的,这意味着存储符号可以是0、1以及它们的叠加。

2量子计算机的优点

近年来的种种试验表明,量子计算机的计算和分析能力都超越了经典计算机。它具有如此优越的性质正在于它的存储读取方式量子化。对量子计算机的原理分析可知,以下两个个特性是令量子计算机优越性的根源所在。

2.1存储量大、速度高

经典计算机由0或1的二进制数据位存储数据,而量子计算机可以用自旋或者二能级态构造量子计算机中的数据位,即量子位。不同于经典计算机的在0与1之间必取其一,量子位可以是0或者1,也可以是0和l的迭加态。

因此,量子计算机的n个量子位可以同时存储2n个数据,远高于经典计算机的单个存储能力;另一方面量子计算机可以同时进行多个读取和计算,远优于经典计算机的单次计算能力。量子计算机的存储读取特性使其具有存储量大、读取计算速度高的优点。

2.2可以实现量子平行态

由量子力学原理可知,如果体系的波函数不能是构成该体系的粒子的波函数的乘积,则该体系的状态就处在一个纠缠态,即体系的粒子的状态是相互纠缠在一起的。而量子纠缠态之间的关联效应不受任何局域性假设限制,这使两个处在纠缠态的粒子而言,不管它们离开有多么遥远,对其中一个粒子进行作用,必然会同时影响到另外一个粒子.正是由于量子纠缠态之间的神奇的关联效应,使得量子计算机可以利用纠缠机制,实现量子平行算法,从而可以大大减少操作次数。

3量子计算机发展现状和未来趋势

3.1量子计算机实现的技术障碍

到目前为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,它的实现还有许多技术上的问题。

量子计算机的优越性主要体现在量子迭加态的关联效应.然而,环境对迭加态的影响以及迭加态之间的相互作用会使这种关联效应减弱甚至丧失,即量子力学去相干效应.因此应尽量减少环境对量子态的作用。同时,万一由于相干效应引入了错误信息,必需能及时改正,这需要进一步的研究和实验。

另一方面,量子态不能复制,使得不能把经典计算机中很完善的纠错方法直接移植到量子计算机中来.由于量子计算机在计算过程中不能对量子态测量,因为这种测量会改变量子态,而且这种改变是不可恢复的,因此在纠错方面存在很多问题。

3.2量子计算机的现状

由于上述两种原因,现在还无法确定未来的量子计算机究竟是什么样的,目前科学家门提出了几种方案.

第一种方案是核磁共振计算机.其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0和1两种状态,重点在于实现自旋状态的控制非操作,优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。

第二种方案是离子阱计算机.其原理是将一系列自旋为1/2的冷离子被禁锢在线性量子势阱里,组成一个相对稳定的绝热系统,重点在于由激光来实现自旋翻转的控制非操作其优点在于极度减弱了去相干效应,而且很容易在任意离子之间实现n位量子门。

第三种方案是硅基半导体量子计算机.其原理是在高纯度硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位,重点在于用绝缘物质实现量子态的隔绝,其优点在于可以利用现代高效的半导体技术。

此外还有线性光学方案,腔量子动力学方案等.

3.3量子计算机的未来

随着现代科学技术的发展,量子计算机也会逐渐走向现实研制和现实运用。量子计算机不但于未来的计算机产业的发展紧密相关,更重要的是它与国家的保密、电子银行、军事和通讯等重要领域密切相关。实现量子计算机是21世纪科学技术的最重要的目标之一。

参考文献:

[1]胡连荣.速度惊人的量子计算机[J].知识就是力量

[2]付刚.“量子计算机”解密[N].中安在线-安徽日报

[3]谭华海.量子计算机研究的最新进展[J].教育部科技发展中心内刊.

量子力学与量子纠缠的关系范文篇2

0引言

近几年来，随着人们对于网络信息传输质量的要求越来越高，并且各种应用的增加导致整个网络信息量增大，亟需有效提高网络的服务质量。基于量子纠缠态理论，在数据链路层对通信协议进行分析，得到停等协议和选择重传量子通信协议，可以明显减少信息在链路中的传输时延，有效提高信息在链路中的传输速率[12]。但是，选择自动重传协议对于每一个发送的数据帧都要求进行应答，一定程度上加重了通信负担;滑动窗口协议只要求对于一定量的数据帧发送一个应答即可，将有效简化通信过程。因此，研究基于量子纠缠态的滑动窗口通信协议具有一定的意义。本文利用量子理论中量子纠缠态，提出一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议，并对该协议进行分析。

1量子纠缠态

量子信息学是近20多年来由量子理论、信息科学以及计算机科学相结合起来的新型学科[3]，主要利用量子态的特性，探索以全新的方式对信息进行存储、计算、编码和传输的可能性[45]。量子纠缠态是量子光学和量子信息学领域中的一个重要概念，量子态的纠缠是量子信息工程中的重要资源，并广泛应用于量子通信和量子计算的理论研究中[67]。量子纠缠现象最先是由(einsteinpodolskyrosen，EPR)发现的量子力学的特殊现象，对于2个或多个量子系统之间的非定域、非经典的关联性描述，是量子系统内各个子系统或各自由度之间关联的力学属性。那么，量子纠缠态是实现信息高速传输的不可破译通信的理论基础[4]。由量子纠缠交换实现量子远程通信，表明量子状态的转移是瞬间实现的，极大缩短了通信时间。

2滑动窗口通信协议

滑动窗口协议是基于数据链路层允许多个数据帧同时进行信息传输以此来提高传输效率而提出的[8]。对于每一个数据帧用一定位数的二进制标识，并限定每个窗口的最大传输的数据帧数。同时，分别在发送方设置发送窗口，接收方设置相应的接收窗口;接收方不必对每一个数据帧进行应答，只需对这个窗口的最后一个数据帧进行应答，表示整个窗口的所有数据帧接收正确，之后接收下一个窗口的数据。对于当产生错误或者丢失一个、多个数据帧时，需要重传这个窗口的所有数据帧。

对于滑动窗口协议，假如待传送的数据帧为m个，每个滑动窗口最多N个数据帧，且每个数据帧在传输的过程中出错和丢失的概率为p。假定每个数据帧的发送时延为ta，数据帧沿发送链路从发送端到接收端的传输时延为tp，接收端接收到数据帧的所用的处理时延为tpr，接收端发送确认帧的发送时延为tb，确认帧在链路中的传输时延为tp，假设发送端的处理时延也同为tpr。由于数据帧的传输过程中是连续发送，则存在数据帧之间传输时间的重叠。即设时间重叠的系数为β，则0≤β<1，重叠时间为βt，当β=0时，重叠时间为0，即只一个数据帧进行传输;同时数据帧的发送时间有先后顺序，不可能同时发送所有数据帧，那么数据帧之间的发送时间不能完全重叠，β不能等于1。因此，一个数据帧从发送端到接收端的传输时间为

也就是说，如果出错或丢失的数据帧越多，则滑动窗口量子通信协议将越有效;并且在无差错信息传输中滑动窗口量子通信协议也将比选择连续重传量子通信协议更好。可得出：在单一一个窗口的出错或丢失需要重传的数据帧的概率为p1=y/x，那么对于所有的数据帧有：当p1>c+1xt4+t5(t4+t5)x-1时，滑动窗口量子通信协议比选择连续重传量子通信协议更优。因此，滑动窗口量子通信协议在远程通信和通信信道较差、出错率很高以及传输时延很高的情况下具有更明显的优势。

3结论

利用量子力学中的量子纠缠态，提出了一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议。该协议在链路的空闲时段通过量子纠缠态的分发建立量子信道，信息的发送通过经典信道进行传输，而后通过量子信道进行反馈确认信息来完成。由于确认量子信息传输的瞬时性，可有效减少信息的传输时间，提高了链路的吞吐量。通过与选择连续重传量子通信协议对比，滑动窗口量子通信协议在十分严峻的环境和远程通信中能够更好地提高信息的传输效率，特别是在卫星通信方面将有更大作用。但是对于所需要重传的数据帧是整个窗口的所有数据帧进行重传，但是整个窗口的所有数据帧并不是全部都出错或丢失需要重传，有的数据帧是完整接收依然被丢弃重传，造成了一些不必要的数据帧的传输，信道的利用率下降。如果能够对于滑动窗口量子通信协议中需要重传的数据帧进行选择性重传将是更有效的解决方案。

作者简介：

量子力学与量子纠缠的关系范文

量子计算机的秘密武器：叠加和纠缠

一方面，量子效应对现代电子学来说非常重要，它能使晶体管变得非常小；但另一方面，量子效应也是一个惹人讨厌的“调皮鬼”，由于电子的位置并非确定不变，它能让晶体管内的电子简单地从一个地方消失并在另外一个地方再次出现，这样会使得电流泄漏出来，导致信号衰减。

不过，有些科学家却从中看到了机会。他们认为，量子尺度上发生的一些诡异事件可以被利用起来，让人们能以一种全新且更快的方式进行计算并发送信息，至少从理论上而言，这些信息不可能被拦截。几个对此感兴趣的科研团体希望建造出量子计算机，以解决目前的计算机无法解决的问题，诸如找出几百位数的质因子或将大的数据库一网打尽等等。这些研究计划和成果都在AAAS的年度大会上得到了展示。

这些科学家们努力的核心是量子叠加和量子纠缠这两种量子力学现象。普通的数字计算机以位的形式操纵信息，位的值要么是1，要么是0。在计算机内，不同的电流电压分别表示1和0，这同电子的电荷有关。电荷是所有电子的固定特征，每个电子的电荷数目是一样的。但是，电子也拥有其他特征，比如自旋，自旋的方向可以表示为“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。这种既向上又向下的状态就被称为叠加，叠加能被用来构建量子力学中的位量子位（量子比特）。

与此同时，纠缠使粒子捆绑在一起以增加更多量子位。在量子机器中，每增加一个量子位会让它能同时进行的操作翻番，这就是量子计算机之所以拥有强大计算能力的“秘诀”。比如，2个相互纠缠的量子位可以进行4个操作；3个量子位可以进行8个操作，等等，依此类推。那么，一个拥有300个量子位的计算机能同时执行的操作数就比可见宇宙中的原子数还多。

叠加和纠缠并不稳定

然而，不幸的是，这样的机器对我们来说仍是“羚羊挂角，无迹可寻”。纠缠和叠加都是非常精细的活，即使最轻微的扰动都会导致“量子位”失去这种相干性，让它们的神奇属性消失殆尽。为了建造出一台能工作的量子计算机，量子位将不得不变得更加灵活，更容易恢复相干性，但迄今为止，这方面的进步一直不大。

1995年，科学家们首次在实验室内实现了量子计算，从那时起，有科研团队已经设法让14个量子位发生了纠缠。这项纪录的保持者是来自德国因斯布鲁克的一个科研团队，他们使用了一个名为离子陷阱的设备，并让以处于不同能量状态的铷原子的叠加形式而存在的量子位在其间发生了纠缠。而加拿大滑铁卢大学的雷蒙德·拉弗莫和同事则设法使用同样的技巧让12个量子位发生了纠缠，让特定的原子在名为组氨酸的氨基酸单分子内发生了纠缠，组氨酸的特征使它非常适合这样的实验。

这些方法存在的问题是，它们并不容易进行升级和扩展。离子陷阱位于大的真空室内，不能轻易地收缩。另外，一个组氨酸分子包含的适合原子数量也有限，因此，科学家们一直在搜寻更实用的量子位。

各出奇招制造稳定的量子位

一种有潜力解决这一问题的方法是在半导体内蚀刻量子位。查尔斯·马库斯以前是哈佛大学的教授，现在是哥本哈根大学的教授，他一直试图使用电子自旋做到这一点。单电子制造的量子位很快会失去相干性，因此，他的研究团队决定使用两个电子制造出一个量子位，他们将其称为“量子点”，这是一块细小的半导体晶体（马库斯使用的半导体是砷化镓）。当两个这样的量子点相互靠近时，能让一个电子陷入一个量子点内以弹出并同另一个量子点内相邻的电子相结合，两个电子自旋的这种叠加就产生了量子位。

迄今为止，马库斯团队已设法让4个这样的量子位结合在一起，而且，使用了一套灵敏的技巧将其寿命延伸至10微秒，这一时间足以用来执行简单的代数操作，代数操作是计算的命脉。他们希望使用硅或碳，进一步延长其寿命，硅或碳的原子核对纠缠电子的干扰比砷化镓要小。

另外，美国加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马提尼斯和同事试图从超导电路打造出量子位。在超导体内，电子并不会单独旅行，相反，因为复杂的量子力学原因，它们会成双成对地出现（也因为同样的原因，这对电子之间不会有电阻）。当它们成双成对旅行时，这对电子的行为就像单个粒子一样，这就出现了叠加倾向。例如，这个“超粒子”实际上一次能朝两个方向移动，当这对电子移动时，它们就制造出了一个磁场。接着，制造一个超导闭环，科学家们就得到了一个能同时朝上和朝下的磁场，马提尼斯团队现在已设法让5个这样的超导量子位发生了纠缠。

马提尼斯团队还使用一套名为共振腔的设备，将信息从电路传送到单个光子并将光子捕获在一个空腔内，并持续几微秒。换句话说，他们已经制造出了一个量子存储设备。几微秒听起来很短暂，但足以执行很多基本操作。

前路漫漫任重而道远

所有上述方法面临的问题是，他们赖以依靠的量子状态非常脆弱，很容易出现错误。一种确保他们能用量子位进行计算的方法是用几个量子位而非仅用一个量子位来对同样的信息进行编码。因此，马库斯、马提尼斯以及拉夫莫不得不在他们的系统中建立一些多余的量子位。这样，对于每个计算所需要的每一个“逻辑”量子位来说，都存在着几个其他的物理量子位，所有这些量子位都需要被纠缠在一起。

微软公司研究中心的米歇尔·弗里德曼正试图另辟蹊径来解决这一问题，他和同事正在建造他们称为拓扑量子计算机的机器，这台机器在一层名为锑化铟的奇异材料上方使用了一个超导体。当朝这套系统施加电压时，整个系统就变成了一个能以叠加状态而存在的量子系统。

弗里德曼的量子位与马提尼斯的量子位的不同之处在于，它们对干涉反应的方式不同。在马提尼斯的量子系统中，刺激一个超导电路中的任何电子，整个系统都会失去相干性。然而，弗里德曼的设计对这样的本地破坏活动“刀枪不入”，因为它采用一种特殊的方式让能量遍布于整个锑化铟上。迄今为止，微软公司的团队还没有制造出一个起作用的量子位，但他们希望很快能做到，他们也正在寻找其他材料来重复同样的实验。