張津星　王海賓　張?zhí)煊睢÷犯膹?/p>

[摘 要]人類的實踐活動產(chǎn)生需求，并在具備了一定的技術條件后，就有新的計算機產(chǎn)生。雖然計算機技術取得了非常巨大的進步，但隨著人類社會的不斷發(fā)展，科學技術的不斷進步，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、網(wǎng)絡安全等對計算機技術也在不斷提出新的要求。在信息技術革命的新紀元中，在這個大數(shù)據(jù)時代，量子計算機無疑是這場革命的主要力量。

[關鍵詞]高效 復雜 絕對安全

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0295-01

人類的實踐活動產(chǎn)生需求，并在具備了一定的技術條件后，就有新的計算機產(chǎn)生。雖然計算機技術取得了非常巨大的進步，但隨著人類實踐活動的不斷拓展，對計算機技術也在不斷提出新的需求?，F(xiàn)在得到廣泛應用的電子計算機提高性能的一個重要途徑，就是不斷提高集成電路芯片的集成度。但是，受到芯片散熱，器件工藝技術及制造成本等因素的制約，芯片集成度的持續(xù)提高將會遇到很大的困難，進而影響到計算機速度新的突破。因此量子計算機的研究和探索成為了當今計算機技術發(fā)展的一個重要趨勢。

基于量子理論的量子計算機，遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機源于對可逆計算機的研究。量子計算機應用的量子比特，可以同時處在多個狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計算機那樣只能處于0或1的二進制狀態(tài)。Qubit，是通過囚禁原子技術，降低原子溫度讓原子保持量子形態(tài)。量子的最大特點是其包羅萬象，可以根據(jù)用戶所提取信息而定。這種設置從根本上提升了計算機的運行速度。量子計算機可同時處理0及1以上，只需3個Byte（字節(jié)）便可處理1600萬項任務，理論上，現(xiàn)時最快的超級計算機需要花10億年處理那極端復雜的排程運算，量子計算機只1分鐘即可完成。

原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。對量子來說，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。每一種物體都被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們完成了一次復雜的量子“計算”，涉及了許多自旋的快速移動。從數(shù)學抽象上看，量子計算機執(zhí)行以集合為基本運算單元的計算。

一、關于量子計算機在信息傳輸安全的問題

量子計算機對信息傳輸?shù)膸椭??！熬褪墙^對的安全?！庇昧孔蛹用芡ㄐ啪湍鼙ＷC絕對的安全！在光纜傳輸信息的時候，由單個光子作為信息的載體，攜帶所需的信息。因此從光子角度看。

嘗試竊聽信息

竊聽信息首先就意味著光子被截獲，接收方將無法獲得信息。按照目前的科技水平，光子的捕獲是可行的，但并不能達到竊聽信息的目的。

2012年諾貝爾物理學獎得主阿羅什已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種超高Q值的腔體，能夠將光子存儲在鏡子之間，時間超過0.1秒。這就意味著人們對信息的截獲，而且并不影響接收端的接受，因為網(wǎng)絡信息的傳輸本身就存在延遲的問題，而且0.1秒人們的感官一般是感覺不到這種細微的差別的。同時這個代價是巨大的，只有著名的學術機構才可能擁有這套設備，并且在上萬次的實驗中才有可能成功一次。而且將光量子儲存在腔體之后，就可以無破壞地對相同的場進行重復測量，將場投影到具有確定光子數(shù)數(shù)目的狀態(tài)上（即Fock態(tài)），同時可以觀察腔體獲得或丟失單個光子時引發(fā)的光量子躍遷。因此這種信息的捕獲和解讀并不會影響下文中所提到的光子狀態(tài)的改變.但是這里又會出現(xiàn)另一個問題，一個光子所攜帶的信息是有限的，若想同時捕獲兩個光子的概率為10^（-34），而且捕獲一個光子所需的時間為10^（-11）秒。因此，若想捕獲由量子計算機傳輸?shù)娜啃畔?，對于現(xiàn)在的人類來說是完全不可能的，正如潘建偉院士所說，這就是完全的加密。

二、嘗試克隆信息

嘗試克隆信息則意味著單個光子的狀態(tài)改變，接收方一樣會發(fā)現(xiàn)問題。根據(jù)海森堡不確定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，決定了在絕大多數(shù)情況下竊聽必然被發(fā)現(xiàn)（除了上文中提到的特殊情況）。在此基礎上，量子密鑰分發(fā)“一次一密，完全隨機”，就保證了加密內(nèi)容不可破譯，也就是理論上的絕對安全。但是還有另一種極為特殊的情況，“除非改變熵增不可減這一宇宙法則被改變，這種逆過程在目前人類所處的三維空間世界里還無法想象，畢竟，多維平行世界目前還無法體驗。就如牛頓經(jīng)典力學適用于低速宏觀世界，在高速微觀世界就得用愛因斯坦相對論和量子理論一樣。至少在目前人類已經(jīng)感知的世界中，絕對的安全就出現(xiàn)了。

關于量子隱形傳態(tài)和量子計算。

利用量子糾纏技術，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡、光纖網(wǎng)絡等信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。量子態(tài)就可以在一個地方消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現(xiàn)。這就可以極大的加快現(xiàn)在的信息傳輸速度。根據(jù)海森堡的不確定性關系，量子本身是可以同時存在于兩個地方的。一般情況來說量子波是可以瞬間展開充滿宇宙的。

數(shù)據(jù)是不會丟失的。如果用光子作為信息的載體，就很有可能面臨信息的丟失。但是這一點目前可以結合倫納德·歐拉的最小作用量原理，粒子的運行軌跡是使得此路線上的任何兩點之間的作用總是盡可能小。同時加上海森堡的不確定性原理，ΔPΔX～h當量子想要躍遷到更遠的地方時，由于量子干涉的規(guī)模也會變大，所以量子本身只會運動很小的距離（這是在極大概率下發(fā)生的） 。例如，在一個0.0009m2的空間中，讓1微克的物體完全移動出去大概需要10^21秒。這個數(shù)值是宇宙年齡的1000倍，因此數(shù)據(jù)的丟失是幾乎不會發(fā)生的，光子可以幾乎按照人們預先設計好的路線，完成信息的傳輸，因此量子計算機的實現(xiàn)，對信息的傳輸是絕對安全的。

關于量子通信的實際應用

在量子通信的實際應用中，我們則需要保證終端的安全，身份的安全，傳輸途徑的安全，以及相關軟件和云應用環(huán)境的安全，因此理論上的絕對安全在實際應用中會受到這樣那樣的條件限制。

2015年12月11日，谷歌量子人工智能實驗室宣布量子計算機最新進展：在兩次測試中D-Wave2X的運行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計算機芯片運行速度快1億倍。

這項突破性的成果打破了業(yè)內(nèi)對于量子計算機真?zhèn)蔚拇嬉?。這次，谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。

由于量子形態(tài)的不穩(wěn)定，量子計算機只是在理論層面可行，加上能夠用運用量子計算的算法有限相對編程也較傳統(tǒng)計算機難度更大，因此并不具備可行性。這次的2X系統(tǒng)，采用了1152Qubit的架構，對比之前的系統(tǒng)，研發(fā)團隊重點從提升量子的運行速度轉移到保持量子穩(wěn)定性以提升性能上。

即便克服了量子穩(wěn)定性的問題，量子計算機在實際落地推廣方面會遇到一些實質問題，如何在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱。已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。也許我們需要一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對于電子計算機一樣。但摩爾定律的失效，對半導體行業(yè)和量子計算機的發(fā)展無疑又產(chǎn)生了一個更大的障礙。研究量子計算機的目的絕不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機，而是為了在某些方面滿足人類對實踐活動的需要。隨著科技的發(fā)展，量子計算機將變成可能。

參考文獻

[1] 【英】Brian Cox、Jeff Forshaw.The Quantum of universe.重慶出版集團，重慶出版社.2013年6月.41-42.45-46.49-50.60.

[2] 【英】Stephen Hawking.The theory of everything：The origin and fate of the universe.譯林出版社.2012年12月.