化学常识：向制造量子计算机迈进一步

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一、化学常识：向制造量子计算机迈进一步

德国马克斯—普朗克量子光学研究所的科学家利用激光首次成功地捕捉并观 察到原子，这一重要成果有望用于制造量子计算机。

据最新一期的《自然》科学杂志介绍，这项实验结果是由该研究所格哈德·雷姆普教授领导的课题组发现的。在此之前，科学家虽然能捕捉和观察带电荷的原子即离子，但对中性原子则无法控制和观察。这是因为控制原子的过程非常困难，温度升高千分之一都会导致实验失败。德国科学家在实验中将温度控制在近乎绝对零度（零下273．15摄氏度）。设想在此温度下，实验的铷原子在激光作用下能量交换，向上跃迁到原子轨道的最高点，然后受重力场作用又回落，持续上下，进入所谓的振动器状态。

科学家在这个实验系统中设置了两个相距仅0．1毫米的平行镜子，用微弱的激光通过镜面夹缝射入铷原子系统。 根据光的波粒两相性，激光既可以看成是波又可以看成是粒子，因此微弱的激光相当于是光子的作用。利用激光器自动开关提高光子的打击强度，这样就能控制原子处于振动器状态。虽然原子滞留的时间非常短，只有0．2秒，但科学家已经能够实时观察到原子的振动。令科学家惊讶的是，实际观察的结果与计算机模拟原子的振动非常一致。

雷姆普教授认为，这一实验结果在理论和实践上有许多应用。理论上有了一种全新的显微检测办法，可以跟踪一个孤立原子的运动；实践上可用于未来量子信息的加工。德国科学家准备由此设计一种“光子枪”，它能够按点发射光量子，将它装在计算机里，可以实现量子比特的信息传递。据雷姆普教授介绍，除他领导的课题组外，美国加州的一个课题组也获得类似的结果，这两个课题组在研究量子光学原理方面正齐头并进

二、高考化学必备知识点：向制造量子计算机迈进一步

量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点：

其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即|0110110＞。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态：C1|0110110＞＋C2|1001001＞。

经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits）），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的么正变换。因此量子计算机的特点为:

量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。

由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干（也称“退相干”）。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

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