通用量子计算机的组成及实现

许铁山

摘要 量子计算作为一个多学科交汇与整合的学科，是量子力学与计算机科技融合的产物。量子计算机为人类文明发展史的壮举之一。文章首先对量子计算的优势进行概述，其次分析量子计算的流程，最后对量子计算机设备的具体构成进行列举。希望对通用量子计算机的研制发挥理论指导作用。

【关键词】量子计算 量子计算机设备 优越性具体组成

通用量子计算机可以在不整改量子计算机物理成分与结构的基础上，对可计算的量子与他类量子进行处理。从很大程度上分析，通用量子计算机的研发有极大的现实价值，这主要是因为其冲破了传统计算与电子计算机的束缚，借用布尔代数逻辑进行计算。本文以通用量子计算机为论点，对其组成与实现方式进行详细论述。

1 量子计算的优越性

1.1 信息的呈现与存储

在传统计算中，数据信息采用二进制数值的方式呈现与存管，比特为信息的基本度量单位，也可以被看做一个值域是（0，1）的随机变量，这代表着一个比特在所有时刻数值是O或1，这是不可取的。但是布尔逻辑所呈现的都是实线性空间，若需要借助拓展二进制数值位数的方式去提升数据信息的呈现与存储能力，线性增长是最后的结局。但是与其相反，量子态的累加性在量子力学第一公设体现出来，所有量子态都具备呈现与存储是O和1的线性累加，在这样的情景中，量子数据信息均可以被呈现与存储在上述量子态模式中。伴随着量子位数的增加，量子信息呈现与储存的空间均以指数形式拓展。

1.2 信息的处理

在计算理论内，信息处理的能力在数据的呈现能力与问题的求解空间两方面体现出来。在Hilbert空间中，因为量子态的累加性，量子算法解决的问题呈现与求解空间都是输入的指数规模。故此，一些特别的函数就可以于多项式时间内处理初始指数繁杂性问题，现如今，该类属性已经被用于很多量子算法中。另外，量子计算作为量子信息的一类基本处理办法，在量子通信、量子网络等区域发展中的应用，体现出一定价值。

2 量子计算的流程

结合现代群体对量子计算的认知，量子计算被视为一种以量子力学原理为基础的计算模式。采用计算机科学对所有计算的专研都要探究如下两个因素：

（1）“算什么”，即为计算的对象;

（2）“如何算”，即计算的规则与程序。

对于量子计算来说，计算的对象就是遵从量子力学的基本原理，以及采用量子态呈现的量子信息;计算的规则与程序就是在密闭的物理环境中的酉转型和计算。量子计算的步骤通常可以做出如下总结：

步骤1：初化（“入”）。数据信息导入量子计算的过程，具体是指数据信息借助某种方式的编码转型为相关量子态，等同于原始量子态的制作过程。

步骤2：演化（“算”）。实质上是量子信息采用量子态的方式于量子力学基本原理构架下进行酉演化的过程。在这一流程中，初化以后得数据信息参照量子算法的程序转化为计算结果。

步骤3：测量（“测”）。把上述酉演化结束以后得计算结果借助测量转型为具有代表性结果的过程。

3 通用量子计算机的具体构成与实现

3.1 存储器

其功能在于存储量子计算所关联的经典数据或量子数据的中间结果或最终结果。业内人士通常把存储器细化为两种类型：

（1）经典存储器存储经典计算过程中所形成的经典数据（二进制方式）;

（2）经典计算机管控量子计算过程所形成的数据。

此外，量子储存器也是量子计算进行的场合，等同于量子数据是静态的，这和经典体系结构存在区别，有助于提升量子計算的容错性和质量。

3.2 运算器

传统计算中，运算器被叫做“算数逻辑运算器（ALU）”但是在本文提及的量子计算机体系结构中，运算器具备经典算数、逻辑运算以及管控所需经典计算的功能。ALU可以与经典控制器合力对信息的通信情况进行管理，同时和经典存储器进行数据流的交汇。

3.3 控制器

通用量子计算机的控制器为主控端经典计算机的控制器。控制器不仅管控经典计算过程，而且还在相关系统软件的协助下，借助主控端和量子运算过程的借口，与通信设施共同管控量子协处理端的不同构件。

3.4 输入设备

在通用量子计算机体系结构中，经典计算过程的输入设备和冯·诺依曼体系结构内所阐述的输入设备没有差异。量子计算过程的输入设备为一类把经典计算所采用的数据信息转型为量子计算所应用数据类型的经典设施，被叫做“量子输入界面设备”。但是，量子输入界面设备自体不操控量子态，而是仅接受形成量子态的概率幅信息的管控。只有在量子运算器的协助下，概率幅信息才会转型为量子数据的物理态，并安置在量子存储器中。此外，量子输入界面设备和量子运算器间建设了单向数据流关系，同时借助通信接口和控制器建设控制流交互关系。

3.5 输出设备

该体系结构中的经典计算过程采用的输出设备和冯·诺依曼体系结构中所阐述的输出设备一样。量子运算环节的输出设备为一类把量子态转型为经典数据的设备，具备量子物理特性的同时，也带有经典物理特性，被叫做“量子输出界面设备”。量子输出界面设备内存有一个量子测量构件，其属于量子设备。量子输出界面设备受控于主控端，直接参照地址访问量子存储器内的某一量子位，量子测量构件对其进行投影测量，经测量后的量子位状态向基本征值（O或1）坍缩，坍缩致使呈现量子态的某一物理量产生定性变化，该变化被测量构件发展，并参照其矢量的正负或相位，把它映射为经典数据O或1，最后采用经典比特的方式将其输出。

4 结束语

综合全文，对通用量子计算机所需的体系结构必需条件与设备有所认知，在该体系结构的辅助下，量子计算机设备可以进行通用、容错、有效的量子计算，同时也可以有效的规避资源浪费的现象。在后续科研工作中，应以经典计算机的量子计算能力模拟软件为基础，供应相关数据信息，以不断强化通用量子计算机体系结构的完善性。

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