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1、第19卷增刊原子核物理评论Vol119,Supp.2002年7月NuclearPhysicsReviewJuly,2002文章编号:1007—4627(2002)增刊—0162—04量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠周奇年(浙江工程学院,浙江杭州310033)摘要:讨论了量子计算、量子通讯与量子计算机中的核心问题:量子叠加和量子纠缠.从量子态表示量子信息为出发点,指出有关量子信息的所有问题都可采用量子力学理论来处理.其中信息的演变遵从薛定谔方程,信息的传输就是量子态在量子通道中的传送,信息处理就是量子态的幺正变换,信息提取则是对量子系统实行量子测量
2、.关键词:量子计算机;量子态;量子比特;量子叠加;量子纠缠中图分类号:O413.1文献标识码:A1引言算机“无法破译”的密码.这是一个革命性突破,显示了量子计算的效率可以远远超过现代计算机.从在人类刚刚跨入21世纪之际,信息科学面临1994年起,计算机科学和物理学间的跨学科研究突着新的挑战.计算机是否存在极限的运算速度、集飞猛进,Science,Nature,PhysicsReviewLetters等著成化可以达到何种程度?能否实现不可破译、不可名科学期刊上发表了大量的量子计算和信息方面的窃听的保密通信?诸如此类的问题一直是数学家和理论与实验的研究工
3、作.此外,关于量子逻辑门、电子技术专家以及计算机科学家们关注的重要课量子电路等许多设计方案不断涌现,使得量子计算题.近年来,物理学家也加入到这个研究行列,他的理论和实验研究蓬勃发展.们成功地将量子理论和信息科学结合起来,提出许多令人耳目一新的概念、原理和方法,于是“量子信2量子态及叠加息”和“量子计算”作为新兴的学科分支便应运而生.现有的经典信息以比特作为信息单元.从物理当前量子计算机、量子通信以至于量子密码技术等角度讲,比特是个两态系统,它可以制备为两个可已经成为研究热点,并取得重要进展.20世纪80识别状态中的一个,如是或非,真或假,0或1.在年
4、代初期,Benioff首先提出了量子计算的思数字计算机中电容器平板之间的电荷可表示信息比[1—3]想,他设计了一台可执行的、有经典类比的量特,有电荷代表1,无电荷代表0.量子信息的单元子Turing机———量子计算机的雏形.此后不久,称为量子比特(qubit),满足Feynman发展了Benioff的设想,提出量子计算机可[4,5]
5、ψ〉=C1
6、0〉+C2
7、1〉,以模拟量子系统;Deutsch提出基于量子干涉的22计算机模型以及“量子逻辑门”这一新概念,并指出
8、C1
9、+
10、C2
11、=1.(1)量子计算机可以通用化、量子计算错误的产生和纠它是两个逻辑态的叠
12、加态,这就是量子系统与经典[6,7]正等问题,并由Zurek作了深入的分析和研究.系统的一个最大区别,即它可以处于多个不同态的1993年,Lloyd指出许多物理系统可用于研制量子叠加态.假定一个原子只有两个可能的量子态
13、0〉和计算机,且在一定情况下能避免Landauer提出的问
14、1〉,这个原子既可以只处于态
15、0〉或者态
16、1〉,也题.1994年计算机科学家PeterShor给出了第一个大可以处于态
17、0〉和态
18、1〉的叠加态,后者的意义是数因子分解的量子算法,它能在几秒内破译常规计原子可以同时处于态
19、0〉和态
20、1〉.量子系统这种奇收稿日期:20022022
21、27;修改日期:20022052313基金项目:浙江工程学院留学人员(017272E);引进基金资助项目作者简介:周奇年(1957-),男(汉族),甘肃山丹人,副教授,从事计算机科学及原子与分子物理领域的研究.增刊周奇年等:量子计算机理论中的量子叠加和量子纠缠·163·特性质正是量子信息与量子计算的基础.经典比特的是想说明在承认局域性和实在性的前提下,量子可以看成是量子比特的特例(如C1=0,C2=1或力学描述是不完备的.C1=1,C2=0).用量子态来表示信息是量子信息那么,什么样的量子态才算是纠缠态呢?对于的出发点,有关信息的所有问题都必须采用量
22、子力一个由N个子系统构成的复合系统,如果系统的密学理论来处理,信息的演变遵从薛定谔方程,信息度矩阵不能写成各个子系统的密度矩阵的直积的线的传输就是量子态在量子通道中的传送,信息处理性叠加形式,则这个复合系统就是纠缠的.如:考虑(计算)就是量子态的幺正变换,信息提取便是对量体系A和B组成的二体系,设A的一组力学量完全子系统实行量子测量.在实验中任何两态的量子系集的共同本征态记为
23、n〉,n代表一组完备量子统都可以用来制备成量子比特,常见的有:光子的数,B的一组力学量完全集的共同本征态记为
24、v〉,正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点v代表另一组完备
25、量子数,则
26、n〉A
27、v〉B(直积形式,的能级、任何量子系统的空间模式等.简记为
28、n〉A
29、v〉B)可以作为复合
