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量子计算发展研究报告(40页)

行业报告下载 2019-09-25 29 管理员

量子叠加指一个量子系统可以处在不同量子态的 叠加态上。在量子系统中,量子态是指微观粒子所处的一系列不连续 的恒稳运动状态。在无外界观测干扰时,量子系统可处于一系列量子 态叠加态上,也即是著名的“薛定谔的猫”。三是量子纠缠。指微观 粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响影响的现象。在量 子系统中,存在量子关联的多个粒子即使在空间上被分隔开,也能够 相互影响运动状态,这是量子通信等的技术基础。 当前,量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量等 三个技术领域。量子计算是基于量子态受控演化的一类计算技术。量 子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力, 有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。量子通信利 用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输,主 要包括量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信可大幅提升通信 的安全性,将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响。量 子测量可基于微观粒子系统及其量子态的精密测量,完成被测系统物 理量的执行变换和信息输出。量子测量主要包括时间基准、惯性测量、 重力测量、磁场测量和目标识别等方向,其在测量精度、灵敏度和稳 定性等方面比传统测量技术有明显优势。 2、量子计算的基本原理与特征 量子计算以量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现数 据的存储计算。量子计算机就是遵循量子力学规律,基于上述原理进 行信息处理的一类物理装置。当前,量子计算机可大致分为三类:量 子退火、嘈杂中型量子(NISQ)计算、容错型通用量子计算。

一般而言,量子计算机的计算过程可以分为数据输入、初态制备、 量子逻辑门操作、量子测算和数据输出等步骤。其中,量子逻辑门操 作是一个幺正变换,这是一个可以人为控制的量子物理演化过程。对 量子计算机的可用性而言,需要从量子比特数、长相干时间保护、高 保真度量子操作等多个维度进行综合衡量。与经典计算相比,量子计算具有以下特点: 一是并行计算能力更强。一般地,描述 n 个量子比特的量子计算 机需要 2n 个系数数字,当 n 增大时所有状态所需数字很大。但由于 量子叠加效应,量子计算过程中的幺正变换可以对处于叠加态的所有 分量同时进行操作(也即量子并行性)。因此,量子计算机可以同时 进行多路并行运算,这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。二是能耗更低。当前,经典计算中运算速度遇到的一大瓶颈就是 能耗问题对芯片集成度的制约。有研究表明,能耗产生于计算过程中 的不可逆操作。直观而言,传统芯片的特征尺寸很小(数纳米)时, 量子隧穿效应开始显著,电子受到的束缚减小,使得芯片功能降低、 能耗提高,这即是传统摩尔定律面临失效的原因。因此,必须将不可 逆操作改造为可逆操作,才能大大提高芯片的集成度。相较之下,量 子计算中的幺正变换属于可逆操作,因而信息处理过程中的能耗较低, 这有利于大幅提升芯片的集成度,进而提升量子计算机算力。

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