通用量子計算機的組成及實現

許鐵山

摘要 量子計算作為一個多學科交匯與整合的學科，是量子力學與計算機科技融合的產物。量子計算機為人類文明發展史的壯舉之一。文章首先對量子計算的優勢進行概述，其次分析量子計算的流程，最后對量子計算機設備的具體構成進行列舉。希望對通用量子計算機的研制發揮理論指導作用。

【關鍵詞】量子計算 量子計算機設備 優越性具體組成

通用量子計算機可以在不整改量子計算機物理成分與結構的基礎上，對可計算的量子與他類量子進行處理。從很大程度上分析，通用量子計算機的研發有極大的現實價值，這主要是因為其沖破了傳統計算與電子計算機的束縛，借用布爾代數邏輯進行計算。本文以通用量子計算機為論點，對其組成與實現方式進行詳細論述。

1 量子計算的優越性

1.1 信息的呈現與存儲

在傳統計算中，數據信息采用二進制數值的方式呈現與存管，比特為信息的基本度量單位，也可以被看做一個值域是（0，1）的隨機變量，這代表著一個比特在所有時刻數值是O或1，這是不可取的。但是布爾邏輯所呈現的都是實線性空間，若需要借助拓展二進制數值位數的方式去提升數據信息的呈現與存儲能力，線性增長是最后的結局。但是與其相反，量子態的累加性在量子力學第一公設體現出來，所有量子態都具備呈現與存儲是O和1的線性累加，在這樣的情景中，量子數據信息均可以被呈現與存儲在上述量子態模式中。伴隨著量子位數的增加，量子信息呈現與儲存的空間均以指數形式拓展。

1.2 信息的處理

在計算理論內，信息處理的能力在數據的呈現能力與問題的求解空間兩方面體現出來。在Hilbert空間中，因為量子態的累加性，量子算法解決的問題呈現與求解空間都是輸入的指數規模。故此，一些特別的函數就可以于多項式時間內處理初始指數繁雜性問題，現如今，該類屬性已經被用于很多量子算法中。另外，量子計算作為量子信息的一類基本處理辦法，在量子通信、量子網絡等區域發展中的應用，體現出一定價值。

2 量子計算的流程

結合現代群體對量子計算的認知，量子計算被視為一種以量子力學原理為基礎的計算模式。采用計算機科學對所有計算的專研都要探究如下兩個因素：

（1）“算什么”，即為計算的對象;

（2）“如何算”，即計算的規則與程序。

對于量子計算來說，計算的對象就是遵從量子力學的基本原理，以及采用量子態呈現的量子信息;計算的規則與程序就是在密閉的物理環境中的酉轉型和計算。量子計算的步驟通常可以做出如下總結：

步驟1：初化（“入”）。數據信息導入量子計算的過程，具體是指數據信息借助某種方式的編碼轉型為相關量子態，等同于原始量子態的制作過程。

步驟2：演化（“算”）。實質上是量子信息采用量子態的方式于量子力學基本原理構架下進行酉演化的過程。在這一流程中，初化以后得數據信息參照量子算法的程序轉化為計算結果。

步驟3：測量（“測”）。把上述酉演化結束以后得計算結果借助測量轉型為具有代表性結果的過程。

3 通用量子計算機的具體構成與實現

3.1 存儲器

其功能在于存儲量子計算所關聯的經典數據或量子數據的中間結果或最終結果。業內人士通常把存儲器細化為兩種類型：

（1）經典存儲器存儲經典計算過程中所形成的經典數據（二進制方式）;

（2）經典計算機管控量子計算過程所形成的數據。

此外，量子儲存器也是量子計算進行的場合，等同于量子數據是靜態的，這和經典體系結構存在區別，有助于提升量子計算的容錯性和質量。

3.2 運算器

傳統計算中，運算器被叫做“算數邏輯運算器（ALU）”但是在本文提及的量子計算機體系結構中，運算器具備經典算數、邏輯運算以及管控所需經典計算的功能。ALU可以與經典控制器合力對信息的通信情況進行管理，同時和經典存儲器進行數據流的交匯。

3.3 控制器

通用量子計算機的控制器為主控端經典計算機的控制器。控制器不僅管控經典計算過程，而且還在相關系統軟件的協助下，借助主控端和量子運算過程的借口，與通信設施共同管控量子協處理端的不同構件。

3.4 輸入設備

在通用量子計算機體系結構中，經典計算過程的輸入設備和馮·諾依曼體系結構內所闡述的輸入設備沒有差異。量子計算過程的輸入設備為一類把經典計算所采用的數據信息轉型為量子計算所應用數據類型的經典設施，被叫做“量子輸入界面設備”。但是，量子輸入界面設備自體不操控量子態，而是僅接受形成量子態的概率幅信息的管控。只有在量子運算器的協助下，概率幅信息才會轉型為量子數據的物理態，并安置在量子存儲器中。此外，量子輸入界面設備和量子運算器間建設了單向數據流關系，同時借助通信接口和控制器建設控制流交互關系。

3.5 輸出設備

該體系結構中的經典計算過程采用的輸出設備和馮·諾依曼體系結構中所闡述的輸出設備一樣。量子運算環節的輸出設備為一類把量子態轉型為經典數據的設備，具備量子物理特性的同時，也帶有經典物理特性，被叫做“量子輸出界面設備”。量子輸出界面設備內存有一個量子測量構件，其屬于量子設備。量子輸出界面設備受控于主控端，直接參照地址訪問量子存儲器內的某一量子位，量子測量構件對其進行投影測量，經測量后的量子位狀態向基本征值（O或1）坍縮，坍縮致使呈現量子態的某一物理量產生定性變化，該變化被測量構件發展，并參照其矢量的正負或相位，把它映射為經典數據O或1，最后采用經典比特的方式將其輸出。

4 結束語

綜合全文，對通用量子計算機所需的體系結構必需條件與設備有所認知，在該體系結構的輔助下，量子計算機設備可以進行通用、容錯、有效的量子計算，同時也可以有效的規避資源浪費的現象。在后續科研工作中，應以經典計算機的量子計算能力模擬軟件為基礎，供應相關數據信息，以不斷強化通用量子計算機體系結構的完善性。

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