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摘 要：在过去几十年，量子信息科学已经出现，基于独特量子特性的编码方式，使其具有独特的优势。现如今，世界各地都在积极研究，量子计算机也必然会大大提高计算能力。但是，迄今为止，尚未有完全成熟理论的量子计算机问世，本文将对相关的研究方法和趋势出总结和展望。
关键词：量子计算机;原理;趋势
在过去几十年，运用基本粒子的量子波函数进行计算的量子计算机已经取得了巨大进步。量子计算机最关键、最普遍的要求是封闭性：在程序员控制下量子计算机的内部操作，必须是与宇宙中其余物质隔离的。少量信息的泄漏会干扰量子计算机脆弱的量子波，导致退相干[1]。如果系统没有完全退相干，那么少量的退相干可以通过各种“量子纠错”技术消除。实际上，容错量子计算机中使用的大部分资源都是可以适当纠正自己错误的，这为量子计算机的制造提供了可能。
一、量子计算机的可扩展性
量子计算机必须在希尔伯特空间中运行，该空间尺寸指数增长，但是成本资源（如时间，空间或能源）不需要指数增长[2]。实现这一目标的标准方法是遵循第一DiVincenzo标准：人们可以简单地将一个特征明确的量子比特添加到系统中。具有两种状态的量子系统，例如量子自旋S=1/2，是一个量子比特。量子比特在两个状态的叠加态时是一个量子振荡器，它不可避免地经历了一定的T1和T2弛豫，单个量子比特可以通过经典振荡器模拟。但是量子力学也允许纠缠。结果，在N量子位的量子系统上，逻辑空间可以获得非常大的群（称为SU（2N）），这要比经典群大的多，而且也不可以被N位经典比特模拟。最终，量子计算机的大希尔伯特空间使其具有了经典计算机不能完成的操作。对于量子比特，量子计算机的尺寸和能量通常随N呈线性增长，但是计算能力确是指数增长。“可扩展”是一项棘手的问题，因为用于定义和控制量子比特的资源是多种多样的。对于一个可扩展系统，这些“经典”资源也必须可扩展的，这是一件极其困难的工程问题。
二、量子计算机的普遍逻辑
大希尔伯特空间必须使用有限控制操作集来访问，这个集合的资源也必须不是呈现指数增长的[3]。
三、量子计算机的可修正性
必须有可能提取出计算机的熵维以持计算机的量子状态。任何QEC协议都需要有效的量子初始化且可以进行消除外界不必要熵的测量。初始化指的是快速冷却量子系统使其进入低熵状态的能力;测量是指系统在量子力学所允许的精度内确定量子状态的能力。建立量子计算机的核心挑战是既保持控制测量量子系统的能力，也要保持其与环境中不受控制的影响因素近乎绝对的隔离[4]。
四、量子计算机的量子比特
光子：光子的偏振状态对于实现量子比特是很有吸引力的，因为光子相对来说不容易受到其他量子系统干扰而退相干。极化旋转（一量子位门）可以使用双折射材料制成的“波片”很容易做到。然而，实现所需的用于通用多量子位控制的光子交互是一个主要障碍。无论采用何种方法，光子源、探测器和非线性、光子损耗仍然是一个重要的挑战[5]。
被困原子：由于在原子水平某些能量的极好的相干性，最佳的时间和频率标准就是基于孤立原子系统的。同样，这些被捕获原子的能级可以形成非常可靠的量子位，通常在T1和T2的范围内达到几秒甚至更长。通过原子和原子量子位元之间适当的相互作用，可以实现量子纠缠。而且，可以使用光抽运对其初始化，使用光学荧光检测可以对其进行接近100%效率的测量。对于被捕获的原子和离子，相干时间比初始化、多比特控制和测量时间长很多数量级。对于被捕获原子的量子计算机的来说，关键的挑战将是在向更大、更复杂的体系结构扩展的同时，保持小系统中一样的高保真控制。
核磁共振：在强磁场中，核自旋可以通过他们的拉莫尔频率识别。在一个分子中，由于分子键中电子的屏蔽效应，核拉莫尔频率因原子而异[6]。用共振射频脉冲照射原子核，可以操纵不同频率的原子核，就可以得到一个通用的量子比特门。双量子比特交互通过电子的间接耦合作为媒介，可以通过观察这种量子比特总效应造成围绕其周围线圈中的感应电流来实现测量[7]。迄今为止，还没有大规模核磁共振技术显示出足够的初始化或测量能力，使其可以得到有效纠正，但核磁共振在多量子位量子控制的方式中是比较领先的。
量子点和固体掺杂物：量子点有很多种类，有些是静电定义的量子点，其约束是由金属栅上的受控电压产生的。另一些是自组装的量子点，随机半导体生长过程产生了限制电子或空穴的可能性。这两种量子点之间的一个关键区别在于它们所产生的原子势的深度。静电定义的量子点在非常低的温度（<1K）下工作，主要由电控制，而自组装的量子点在更高的温度（～4k）下工作，主要由光学控制。此外，光学活性固体掺杂剂也允许光子连接，通常使用硅和金刚石系统，T2的时间越长，毫秒数就越高。
超导体：由普通电路制成的超导体量子比特会由于电阻功率损耗而迅速地退相干。然而，在低温超导体中，电子结合到库珀对中，形成零电阻电流和确定的相位。在超导电路中，通过控制宏观定义的电感（L）、电容（C）等，可以改变库珀对量子变量的电势，从而构造出量子位元。同样，也可以通过电信号的动态变化来实现完全的量子控制。因此，这些装置类似于经典的高速集成电路，可以很容易地使用现有技术来制造。[8]。
结论
过去几十年的量子信息科学取得了巨大的发展进步，然而要实现基于量子原理的计算机，仍然需要在这个方向上更大的努力。大型量子计算机无疑是一个极具雄心的目标，其比经典原理更强大、更高效，具有独特的优势。当我们掌握了足够多的量子技术，必然可以制造出实用的量子计算机。
参考文献：
[1]周正威，陈巍，孙方稳，等.量子信息技术纵览[J].科學通报，2012（17）：1498-1525.
[2]方粮，刘汝霖，汤振森，等.量子计算机：量子算法与物理实现[J].计算机工程与科学，2012（08）：32-43.
[3]林雄，林帅.量子计算与量子计算机展望[J].微型机与应用，2012（22）：4-6.
[4]吴楠，宋方敏.一种高效?容错的通用量子计算机体系结构[J].计算机学报，2009（01）：161-168.
[5]郭光灿，周正威，郭国平，等.量子计算机的发展现状与趋势[J].中国科学院院刊，2010（05）：516-524.
[6]龙桂鲁，肖丽.核磁共振量子计算机与并行量子计算[J].物理与工程，2003（03）：12-14.
[7]莫露洁.量子计算机的研究与应用综述[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2008（01）：29-31.
[8]龙桂鲁，刘洋.广义量子干涉原理及对偶量子计算机[J].物理学进展，2008（04）：410-431.
关键词：量子计算机;原理;趋势
在过去几十年，运用基本粒子的量子波函数进行计算的量子计算机已经取得了巨大进步。量子计算机最关键、最普遍的要求是封闭性：在程序员控制下量子计算机的内部操作，必须是与宇宙中其余物质隔离的。少量信息的泄漏会干扰量子计算机脆弱的量子波，导致退相干[1]。如果系统没有完全退相干，那么少量的退相干可以通过各种“量子纠错”技术消除。实际上，容错量子计算机中使用的大部分资源都是可以适当纠正自己错误的，这为量子计算机的制造提供了可能。
一、量子计算机的可扩展性
量子计算机必须在希尔伯特空间中运行，该空间尺寸指数增长，但是成本资源（如时间，空间或能源）不需要指数增长[2]。实现这一目标的标准方法是遵循第一DiVincenzo标准：人们可以简单地将一个特征明确的量子比特添加到系统中。具有两种状态的量子系统，例如量子自旋S=1/2，是一个量子比特。量子比特在两个状态的叠加态时是一个量子振荡器，它不可避免地经历了一定的T1和T2弛豫，单个量子比特可以通过经典振荡器模拟。但是量子力学也允许纠缠。结果，在N量子位的量子系统上，逻辑空间可以获得非常大的群（称为SU（2N）），这要比经典群大的多，而且也不可以被N位经典比特模拟。最终，量子计算机的大希尔伯特空间使其具有了经典计算机不能完成的操作。对于量子比特，量子计算机的尺寸和能量通常随N呈线性增长，但是计算能力确是指数增长。“可扩展”是一项棘手的问题，因为用于定义和控制量子比特的资源是多种多样的。对于一个可扩展系统，这些“经典”资源也必须可扩展的，这是一件极其困难的工程问题。
二、量子计算机的普遍逻辑
大希尔伯特空间必须使用有限控制操作集来访问，这个集合的资源也必须不是呈现指数增长的[3]。
三、量子计算机的可修正性
必须有可能提取出计算机的熵维以持计算机的量子状态。任何QEC协议都需要有效的量子初始化且可以进行消除外界不必要熵的测量。初始化指的是快速冷却量子系统使其进入低熵状态的能力;测量是指系统在量子力学所允许的精度内确定量子状态的能力。建立量子计算机的核心挑战是既保持控制测量量子系统的能力，也要保持其与环境中不受控制的影响因素近乎绝对的隔离[4]。
四、量子计算机的量子比特
光子：光子的偏振状态对于实现量子比特是很有吸引力的，因为光子相对来说不容易受到其他量子系统干扰而退相干。极化旋转（一量子位门）可以使用双折射材料制成的“波片”很容易做到。然而，实现所需的用于通用多量子位控制的光子交互是一个主要障碍。无论采用何种方法，光子源、探测器和非线性、光子损耗仍然是一个重要的挑战[5]。
被困原子：由于在原子水平某些能量的极好的相干性，最佳的时间和频率标准就是基于孤立原子系统的。同样，这些被捕获原子的能级可以形成非常可靠的量子位，通常在T1和T2的范围内达到几秒甚至更长。通过原子和原子量子位元之间适当的相互作用，可以实现量子纠缠。而且，可以使用光抽运对其初始化，使用光学荧光检测可以对其进行接近100%效率的测量。对于被捕获的原子和离子，相干时间比初始化、多比特控制和测量时间长很多数量级。对于被捕获原子的量子计算机的来说，关键的挑战将是在向更大、更复杂的体系结构扩展的同时，保持小系统中一样的高保真控制。
核磁共振：在强磁场中，核自旋可以通过他们的拉莫尔频率识别。在一个分子中，由于分子键中电子的屏蔽效应，核拉莫尔频率因原子而异[6]。用共振射频脉冲照射原子核，可以操纵不同频率的原子核，就可以得到一个通用的量子比特门。双量子比特交互通过电子的间接耦合作为媒介，可以通过观察这种量子比特总效应造成围绕其周围线圈中的感应电流来实现测量[7]。迄今为止，还没有大规模核磁共振技术显示出足够的初始化或测量能力，使其可以得到有效纠正，但核磁共振在多量子位量子控制的方式中是比较领先的。
量子点和固体掺杂物：量子点有很多种类，有些是静电定义的量子点，其约束是由金属栅上的受控电压产生的。另一些是自组装的量子点，随机半导体生长过程产生了限制电子或空穴的可能性。这两种量子点之间的一个关键区别在于它们所产生的原子势的深度。静电定义的量子点在非常低的温度（<1K）下工作，主要由电控制，而自组装的量子点在更高的温度（～4k）下工作，主要由光学控制。此外，光学活性固体掺杂剂也允许光子连接，通常使用硅和金刚石系统，T2的时间越长，毫秒数就越高。
超导体：由普通电路制成的超导体量子比特会由于电阻功率损耗而迅速地退相干。然而，在低温超导体中，电子结合到库珀对中，形成零电阻电流和确定的相位。在超导电路中，通过控制宏观定义的电感（L）、电容（C）等，可以改变库珀对量子变量的电势，从而构造出量子位元。同样，也可以通过电信号的动态变化来实现完全的量子控制。因此，这些装置类似于经典的高速集成电路，可以很容易地使用现有技术来制造。[8]。
结论
过去几十年的量子信息科学取得了巨大的发展进步，然而要实现基于量子原理的计算机，仍然需要在这个方向上更大的努力。大型量子计算机无疑是一个极具雄心的目标，其比经典原理更强大、更高效，具有独特的优势。当我们掌握了足够多的量子技术，必然可以制造出实用的量子计算机。
参考文献：
[1]周正威，陈巍，孙方稳，等.量子信息技术纵览[J].科學通报，2012（17）：1498-1525.
[2]方粮，刘汝霖，汤振森，等.量子计算机：量子算法与物理实现[J].计算机工程与科学，2012（08）：32-43.
[3]林雄，林帅.量子计算与量子计算机展望[J].微型机与应用，2012（22）：4-6.
[4]吴楠，宋方敏.一种高效?容错的通用量子计算机体系结构[J].计算机学报，2009（01）：161-168.
[5]郭光灿，周正威，郭国平，等.量子计算机的发展现状与趋势[J].中国科学院院刊，2010（05）：516-524.
[6]龙桂鲁，肖丽.核磁共振量子计算机与并行量子计算[J].物理与工程，2003（03）：12-14.
[7]莫露洁.量子计算机的研究与应用综述[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2008（01）：29-31.
[8]龙桂鲁，刘洋.广义量子干涉原理及对偶量子计算机[J].物理学进展，2008（04）：410-431.