复旦新型高温超导体复旦新型高温超导体研究所_量子计算机为什么需要量子纠缠?

小编 63 0

量子计算机为什么需要量子纠缠?

量子计算机指的是利用量子力学基本规律和原理来进行数学逻辑运算的计算机。我们传统的计算机,是基于半导体技术进行逻辑运算的,其基本原理就是半导体中以电子是否导通来定义0和1,也就是说,仅仅用到了电子的电荷性质。但一般来说,电子本身还带有自旋和轨道等量子性质,对其进行相关的操作也能做到逻辑运算的目的。更推广来说,一切微观粒子,包括电子、光子和原子本身,都具有量子物理方面的特性。充分利用微观粒子的量子特性,以量子力学基本原理为基础,构建的逻辑运算元件,就是量子比特。

因为量子力学过程是并行发生的,所以量子计算机在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,远远超越了经典计算机。举例来说,面对一个超大的线性方程组,传统的超级计算机需要计算30年,但同等层次的量子计算机,或许只需要0.01秒就能解决。运算能力和速度有了数量级式的提升。

实现量子计算机的途径有很多,目前最有希望实现的主要有基于光子纠缠的光量子计算机、基于离子阱技术的冷原子量子计算机、基于超导比特电路的超导量子计算机等。仅仅光量子计算机是需要光量子纠缠态的,后两者都不需要。相对来说,超导量子计算机的发展速度要快一些,它的基本原理又分为三类,分别基于电荷比特、磁通比特、位相比特等三种不同超导量子比特技术。这三类超导量子计算机都可以通过传统的固体电路加工方法来实现,和目前计算机芯片加工技术非常接近,也意味着超导量子计算机实现起来要相对容易一些。事实上,基于量子退火原理的D-wave量子计算机已经走向市场了,尽管圈内仍不认为这是一台严格意义上的量子计算机,但它在某些计算方面已经凸显出独特的优势。

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在量子系统状态空间中,非纠缠态是个零测集,连接初始状态和输出状态的曲线,如果只允许经过非纠缠态,则其长度一般不会是整个空间的最短路径,可能比允许经过纠缠态的路径长,即复杂度不会最优,效率非最高。另,如计算系统仅经由弱纠缠态,则可被经典计算机有效近似。

施郁

(复旦大学物理学系教授)

量子力学之所以区分于经典物理,就是因为有量子纠缠,因此如果没有量子纠缠,量子计算的过程就等效于经典的过程。

量子计算机之所以是量子计算机,是因为它可以执行一些量子算法,这些量子算法可以有效地解决在经典计算机中不能有效地解决的问题,比如找到一个大的奇数的因子。 “有效”的意思是说,所需要的计算时间是这个数的2进制表达式的位数的多项式函数。

这些量子算法之所以这样有效地解决问题,就是因为能够利用量子纠缠态。简单地说,就是在量子计算过程中,量子态会成为叠加态,在这些叠加态的每一项对应了自变量取某个值,而因变量取某个相应的值。这样的叠加态一般来说就是纠缠的,存放自变量的布冯与存放因变量的那部分相互纠缠。

这叫做量子并行。

室温超导国内有研究吗?


答:对室温超导的研究在国内是有的,特别是在国内顶级大学,如北京大学、新加坡南洋理工大学、清华大学以及复旦大学等都有着专业的室温超导研究团队,这些团队正在致力于研究目前室温超导性材料的调制和工艺、半导体器件的设计与实现以及超导半导体材料的设计合成等。目前,这些团队正在关注在低温超导体竞争中国自主研发的未来可能性。