Monday, January 29, 2007

 

Resolving Vacuum Fluctuations in an Electrical Circuit by Measuring the Lamb Shift

道穷则反,归乎坤元。呵呵

from http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/322/5906/1357

Quantum theory predicts that empty space is not truly empty. Even in the absence of any particles or radiation, in pure vacuum, virtual particles are constantly created and annihilated. In an electromagnetic field, the presence of virtual photons manifests itself as a small renormalization of the energy of a quantum system, known as the Lamb shift. We present an experimental observation of the Lamb shift in a solid-state system. The strong dispersive coupling of a superconducting electronic circuit acting as a quantum bit (qubit) to the vacuum field in a transmission-line resonator leads to measurable Lamb shifts of up to 1.4% of the qubit transition frequency. The qubit is also observed to couple more strongly to the vacuum field than to a single photon inside the cavity, an effect that is explained by taking into account the limited anharmonicity of the higher excited qubit states.

Sunday, January 28, 2007

 

Some websites for Quantum Computation

1.
Berkeley CS294 Quantum Computation
http://www.cs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html

To believe it or not, this is a 2XX course, so I think it is for undergraduate students

2.
Q-circuit is a macro package for drawing quantum circuit diagrams in LaTeX. On this page you'll find everything you need to start making quantum circuit diagrams of your own.
http://info.phys.unm.edu/Qcircuit/

3.
Professor Michael Nielsen Nielsen's blog
http://www.qinfo.org/people/nielsen/blog/

you will find so many links there

4.
The Cambridge QIP Website presents all QIP research that is currently active in Cambridge.
http://www.qubit.org/

5.
Dave Bacon's blog
http://dabacon.org/pontiff/

Thursday, January 11, 2007

 

Some notes on D-Wave Orion

It seems that I by chance forecast the anouncement of D-wave this month. ^_^
But to tell the truth, I really doubt how accurate D-wave behave like a true quantum machine. Below are some notes I found on the web. It is a pitty that I cannot connect to http://dwave.wordpress.com/ or http://www.scottaaronson.com/ (totally do not know why).

1.
benleidawang (本垒打王) 于 (Sun Feb 18 19:06:17 2007) 提到:

他们宣布的日子是2007年2月13日,可能是为了和世界上第一台电子计算机的发明放在一起。

1946年2月14日 世界上第一台计算机ENIAC诞生。也许在计算日期的时候有些不一致,他们选了2月13日。

实际上英国的巨人计算机(Giant)比美国的ENIVAC还要早,为了破译密码的保密需要,没有公布。

nature上的报道
http://www.nature.com/news/2007/070212/full/070212-8.html

ZOL上的编译报道
http://news.zol.com.cn/51/511468.html

D-Wave的专利网页
http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=1&p=1&f=G&l=50&d=PTXT&S1=7,135,701.PN.&OS=PN/7,135,701&RS=PN/7,135,701

2.
发信人: draculalord ( 嗯?), 信区: SF
标 题: Re: 全球首台商用量子计算机将在下周展示 (转载)
发信站: 水木社区 (Tue Feb 13 03:46:10 2007), 站内

Grudgingly offered for your reading pleasure, and in the vain hope of forest
alling further questions.

Q: Thanks to D-Wave Systems — a startup company that’s been in the news la
tely for its soon-to-be-unveiled “Orion” quantum computer — is humanity n
ow on the verge of being able to solve NP-complete problems in polynomial ti
me?

A: No. We’re also not on the verge of being able to build perpetual-motion
machines or travel faster than light.

Q: But couldn’t quantum computers try all possible solutions in parallel, a
nd thereby solve NP-complete problems in a heartbeat?

A: Yes, if the heart in question was beating exponentially slowly.

Otherwise, no. Contrary to widespread misconception, a quantum computer coul
d not “try all possible solutions in parallel” in the sense most people me
an by this. In particular, while quantum computers would apparently provide
dramatic speedups for a few “structured” problems (such as factoring integ
ers and simulating physical systems), it’s conjectured that they couldn’t
solve NP-complete problems in polynomial time.

Q: But isn’t factoring an NP-complete problem?

A: Good heavens, no! While factoring is believed to be intractable for class
ical computers, it’s not NP-complete, unless some exceedingly unlikely thin
gs happen in complexity theory. Where did you get the idea that factoring wa
s NP-complete? (Now I know how Richard Dawkins must feel when someone asks h
im to explain, again, how “life could have arisen by chance.”)

Q: How could the people at D-Wave not understand that quantum computers coul
dn’t solve NP-complete problems in polynomial time?

A: To his credit, Geordie Rose (the founder of D-Wave) does understand this;
see here for example. And yet, essentially every article I’ve read about D
-Wave gives readers exactly the opposite impression. The charitable explanat
ion is that the D-Wave folks are being selectively quoted or misquoted by jo
urnalists seeking to out-doofus one another. If so, one hopes that D-Wave wi
ll try harder in the future to avoid misunderstandings.

Q: But even if it gave only polynomial speedups (as opposed to exponential o
nes), couldn’t the adiabatic quantum computer that D-Wave built still be us
eful for industrial optimization problems?

A: D-Wave’s current machine is said to have sixteen qubits. Even assuming i
t worked perfectly, with no decoherence or error, a sixteen-qubit quantum co
mputer would be about as useful for industrial optimization problems as a ro
ast-beef sandwich.

Q: But even if it wasn’t practically useful, wouldn’t a 16-qubit supercond
ucting quantum computer still be a major scientific advance?

A: Yes, absolutely.

Q: So, can D-Wave be said to have achieved that goal?

A: As Dave Bacon pointed out earlier, it’s impossible to answer that questi
on without knowing more about how their machine works. With sixteen qubits,
a “working demo” doesn’t prove anything. The real questions are: how high
are the fidelities, and what are the prospects for scalability?

Q: But clearly D-Wave isn’t going to give away its precious trade secrets j
ust to satisfy some niggling academics! Short of providing technical specifi
cs, what else could they do to make computer scientists take them seriously?


A: Produce the prime factors of

1847699703211741474306835620200164403018549

3386634101714717857749106516967111612498593

3768430543574458561606154457179405222971773

2524660960646946071249623720442022269756756

6873784275623895087646784409332851574965788

4341508847552829818672645133986336493190808

4671990431874381283363502795470282653297802

9349161558118810498449083195450098483937752

2725705257859194499387007369575568843693381

2779613089230392569695253261620823676490316

036551371447913932347169566988069.

Q: Alright, what else could they do?

A: Avoid talking like this:

The system we are currently deploying, which we call Trinity, is a capabilit
y-class supercomputer specifically designed to provide extremely rapid and a
ccurate approximate answers to arbitrarily large NP-complete problems … Tri
nity has a front-end software interface, implemented in a combination of Jav
a and C, that allows a user to easily state any NP-complete problem of inter
est. After such a problem has been stated the problem is compiled down to th
e machine language of the processors at the heart of the machine. These proc
essors then provide an answer, which is shuttled back to the front end and p
rovided to the user. This capability can of course be called remotely and/or
as a subroutine of some other piece of software.

Or to translate: “Not only have we built a spaceship capable of reaching Pl
uto in a few hours, our spaceship also has tinted windows and deluxe leather
seats!” If I were them, I’d focus more on the evidence for their core tec
hnological claims, given that those claims are very much what’s at issue.

Q: While Dave Bacon also expressed serious doubts about the Orion quantum co
mputer, he seemed more enthusiastic than you are. Why?

A: Generous and optimistic by nature, Dave strives to give others the benefi
t of the doubt (as the Chinese restaurant placemat would put it). Furthermor
e, as Quantum Pontiff, he’s professionally obligated to love the quantum si
nner and forgive the wayward quantum sheep. And these are all wonderful qual
ities to have. On the other hand, when the hype surrounding some topic cross
es a certain threshold, arguably a pricklier approach becomes called for.

Q: If D-Wave fizzles out, will many journalists and policymakers then conclu
de that quantum computing is bunk?

A: It doesn’t seem unlikely.

Q: What would it take to get these people to recognize the most elementary d
istinctions?

A: That’s the question, isn’t it?

This entry was posted on Friday, February 9th, 2007 at 9:34 am and is filed
under Quantum, Rage Against Doofosity. You can follow any responses to this
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※ 来源:·水木社区 newsmth.net·[FROM: 147.83.49.*]

3.
Krank (娉娉袅袅十三馀,豆蔻梢头二月初) 于 (Sat Feb 17 20:31:07 2007) 提到:

http://dwave.wordpress.com/2007/01/19/quantum-computing-demo-announcement/

这里可以看到它们的芯片设计。

事情有点没谱,D-WAVE现在干的这件事好像是好莱坞电影里面的情节。这个D-WAVE里
有一批做FLUX QUBIT的人不假,包括一些从CLARKE那里去的,从MARTINIS那里去的,
还有从UMD去的。嘿嘿,正因为如此,如果他们有什么决定性的突破,我这里绝对不会
听不到风声。

如果是“真实的”量子计算,16个固然了不起,不过我看了一下他们的方案,跟别的
实验室做的方案相比没有本质上的突破。D-WAVE虽然牛,也还没牛到让全世界的同行
都瞠若乎后的地步。他们这个方案也没有公开发表的文章(当然是商业机密),也不
知道具体的纠缠方式和退相干时间。

总之我觉得这个事情更像是“炒概念”,也许是商业操作吧。简单地一语道破,这里
所谓16个QBIT的纠缠态,事实上并没有完全的纠缠。D-WAVE搞的小把戏其实自己也说
得很清楚,这是类似于2D的ISING模型的纠缠,所谓纠缠只存在于相邻的BIT中。他们
的4X4的阵列就表示16个纠缠QUBIT么?这至少相当于2D的ISING模型和2D的自由电子气
的区别吧。

不过他们炒概念也不错,反正把蛋糕做大,我们这帮人谁都有好处。但是也正像NATURE
新闻里面说的,这样炒概念是玩火,如果把概念炒臭了,害处很大,成为跟高温超导
一样人见人怕的资金毒药……

4.
Krank (娉娉袅袅十三馀,豆蔻梢头二月初) 于 (Mon Feb 19 00:55:16 2007) 提到:

看来跟我持同样观点的同行还是不少的。

Real Deal?

Because Orion must be kept refrigerated and isolated from outside influences
that could disrupt its computations, the company only remotely accessed the
system in its demonstration. Likewise, D-Wave hasn't proven Orion's exact n
ature to the scientific community, but may release details for scientific pe
er review. At that point, scientists can argue over the finer points of quan
tum mechanics and if Orion is truly a "quantum computer."

http://www.technewsworld.com/story/55801.html

Krank (娉娉袅袅十三馀,豆蔻梢头二月初) 于 (Mon Feb 19 01:01:05 2007) 提到:

呵呵,这个更搞笑,D-WAVE的人自己承认是耍花招了。

And notwithstanding lofty claims in the company's press release about creati
ng the world's first commercial quantum computer, D-Wave Chief Executive Her
b Martin emphasized that the machine is not a true quantum computer and is i
nstead a kind of special-purpose machine that uses some quantum mechanics to
solve problems.

~~~~这种手段太不道德了,恩恩,赤裸裸的商业行为!

"Users don't care about quantum computing - users care about application acc
eleration. That's our thrust," he said. "A general purpose quantum computer
is a waste of time. You could spend hundreds of billions of dollars on it" a
nd not create a working computer.

He said all the evidence the company has indicates that the device is perfor
ming quantum computations, but he acknowledged there is some uncertainty. He
also said the company could encounter problems in maintaining quantum funct
ions as the machine is made more powerful.

http://www.ibtimes.com/articles/20070214/techbit-quantum-quandary.htm

Krank (娉娉袅袅十三馀,豆蔻梢头二月初) 于 (Mon Feb 19 20:40:42 2007) 提到:

其实这个东西本身还是挺好的,基本上相当于一个宏观的二维ISING模型。能做出
这个东西相当于用宏观物体直接对微观过程进行量子模拟,或者说量子复现。这个
门槛可是相当得不低啊,至少全世界我数不出10个实验室能做到。

但是吹成16QBIT就是挑战整个研究领域了,未免口气大了些。如果在业内受到强烈
反弹,对于D-WAVE企事业不是什么好事。正好我们这里后天就要开一个小会,欧洲
所有超导量子计算的牛人基本上都会到,我到时候问问他们怎么看这个事情。

benleidawang (本垒打王) 于 (Thu Feb 22 21:54:30 2007) 提到:

Nature 今天的报道

http://www.nature.com/nature/journal/v445/n7130/full/445807a.html

Puzzle-solving quantum computer is unveiled
A Canadian firm has revealed what it claims is the first fully functioning quantum computer — generating both interest and scepticism from physicists.

D-Wave Systems, based in Burnaby, British Columbia, debuted its system on 13 February at the Computer History Museum in Mountain View, California. The computer used its 16 quantum bits, or qubits, to match proteins in a database, create a seating chart for a wedding party and solve a sudoku puzzle.

Critics say that the machine, which takes an unusual approach known as 'adiabatic quantum computing', may not be performing strictly quantum-mechanical computations. The adiabitic technique leaves the machine to conduct quantum computations on its own, making it difficult to tell whether it is behaving in a quantum or a classical manner.

"I'm really very sceptical," says Umesh Vazirani, a computer scientist at the University of California, Berkeley, adding that he would like to see more data before he is convinced.

benleidawang (本垒打王) 于 (Thu Feb 22 22:00:28 2007) 提到:

Physics Today Favorite 上转的报道

The Father of Quantum Computing
不知道是指D-Wave是量子计算机之父,还是指Deutsch是量子计算机之父
http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2007/02/the_father_of_quantum_computin.html

Does quantum computing have a future?

On Tuesday, Canadian company D-Wave Systems demonstrated a 16-qubit, specific-purpose quantum computer to a room packed with observers and thick with doubt and awe. Reporters watched as the machine solved a Sudoku puzzle and a seating arrangements problem, and, most impressively, searched for molecules similar to the drug Prilosec from a database of molecules.

But the final significance of D-Wave's demo is as uncertain as the fate of Schrödinger's cat -- opinions are all over the place, within the scientific community and without. To cut through the fog, Wired News sought out the father of quantum computing, Oxford University theoretical physicist David Deutsch.

Deutsch invented the idea of the quantum computer in the 1970s as a way to experimentally test the "Many Universes Theory" of quantum physics -- the idea that when a particle changes, it changes into all possible forms, across multiple universes.

Deutsch is a leading proponent of the theory, so, while he wasn't in attendance at the D-Wave announcement, perhaps it's safe to say as well that he was. Wired News pulled him away from dinner to talk about what a quantum computer really is, what it's good for and what D-Wave's announcement might mean for the future.

Wired News: D-Wave announced 16 qubits, and they want people to play with them, so they're talking about having a web API where people can try to port their own applications and see how it works. Do you think that's a good approach to gaining some acceptability and mind share for the idea of quantum computing?

David Deutsch: I think the field doesn't need acceptability. The idea will either be valid, or not. The claim will either be true, or not. I think that the normal processes of scientific criticism, peer review and just general discussion in the scientific community is going to test this idea -- provided enough information is given of what this idea is. That will be quite independent of what kind of access they provide to the public.

However, I think the idea of providing an interface such as you describe is a very good one. I think it's a wonderful idea....

WN: Can you give a couple of examples of what kind of things can be done with quantum computing that either can't be done, or can't be done practically, with classical computing?

Deutsch: The most important application of quantum computing in the future is likely to be a computer simulation of quantum systems, because that's an application where we know for sure that quantum systems in general cannot be efficiently simulated on a classical computer. This is an application where the quantum computer is ideally suited.

Perhaps in the long run, as nanotechnology becomes quantum technology, that will be a very important generic application.

Another thing I should say is, that application is the only one of the major applications -- apart from quantum cryptography, by the way, which is already implemented and is really in a different category -- that might be amenable to a non-general purpose quantum computer. That is to say, a special-purpose quantum computer.

WN: Can you talk a little about the importance of simulating quantum systems, and give an example?

Deutsch: Yes. Whenever we design a complex piece of technology we need to simulate it, either in theory by working out the equations that govern it, or as a computer simulation, by running a program on the computer whose motion mimics that of the real system.

But when we come to designing quantum systems, we're going to have to simulate the behavior of quantum super positions, which is, in Many Universes terms, when an object is doing different things in different universes. On a classical computer you'd have to work out what every single one of those was, and then combine them in the end with the equations governing quantum interference.

WN: And that becomes computationally impossible?

Deutsch: That becomes infeasible very, very quickly, once you've got more than three, four, five particles involved, whereas a quantum computer could mimic such a process directly by itself doing that number of computations simultaneously in different universes. So it is naturally adapted to that kind of simulation, if we wanted to work out, let's say, the exactly properties of a given molecule.

Some people have suggested this might be useful for designing new drugs, but we don't know if that's the case or not. Although quantum processes are needed in general for atomic and molecular scale properties, not all of them (need quantum processes). An example of that is we've been able to do a lot of biotechnology without having any quantum simulators.

WN: Do you think a quantum computer could eventually build a slightly more macro simulation, something like an immune system, in order to see how it interacts with a drug?

Deutsch: No, that's not what it would be used for. It would be used for smaller things, not things on a larger scale than a molecule, but things on a smaller scale. Small molecules and interactions within an atom, subtle differences between different isotopes, that sort of thing. And of course things on an even smaller scale than that. Nuclear physics, and also artificial, atomic-sized things which will be used in nanotechnology.

Of which at the moment the only ones planned are quantum computers. Of course quantum computer designing other quantum computers is undoubtedly going to be one of the applications.

WN: The other field I can see ... this revolutionizing is materials science.

Deutsch: Yes, yes. Again we don't know how revolutionary it will be, but certainly on the small scale, it will be indispensable.

WN: What would you like to see the field trying to do?

Deutsch: I'm probably the wrong person to ask that because my own interest in this field is not really technological. To me quantum computation is a new and deeper and better way to understand the laws of physics, and hence understanding physical reality as a whole. We are really only scratching the surface of what it is telling us about the nature of the laws of physics. That's the kind of direction that I'm pursuing.

The pleasant thing about that is that can be done before one even makes a quantum computer. The theoretical conclusions are already there, and we can work on them already. It's not that I don't think technological applications are important, but I watch them as an eager spectator rather than participant.

WN: For your purposes, the importance of quantum computing is in the general case more than in the specific-use case.

Deutsch: Yes. The fact that the laws of physics permit themselves to be simulated by a quantum computer is a deep fact about the nature of the universe that we will have to understand more deeply in the future.

WN: How do you think using quantum computers will change how people think about computing, and consequently the universe and nature?

Deutsch: "How they will think about it" is the relevant phrase here. This is a philosophical and psychological question you're asking. You're not asking a question about the physics or the logic of the situation.

I think that when universal quantum computers are finally achieved technologically, and when they are routinely performing computations where there is simply more going on there than a classical computer or even the whole universe acting as a computer could possibly achieve, then people will get very impatient and bored, I think, with attempts to say that those computations don't really happen, and that the equations of quantum mechanics are merely ways of expressing what the answer would be but not how it was obtained.

The programmers will know perfectly well how it was obtained, and they will have programmed the steps that will have obtained it. The fact that answers are obtained from a quantum computer that couldn't be obtained any other way will make people take seriously that the process that obtained them was objectively real.

Nothing more than that is needed to lead to the conclusion that there are parallel universes, because that is specifically how quantum computers work.

WN: So what prompted you to start thinking about quantum computing?

Deutsch: This goes back a long way before I even thought of general purpose quantum computing. I was thinking about the relationship between computing and physics.... This was back in the 1970s....

It had been said, ever since the parallel universes theory had been invented by Everett in the 1950s, that there's no experimental difference between it and the various (theories), like the Copenhagen interpretation, that try to deny that all but one of the universes exist.

Although it had been taken for granted that there was no experimental difference, in fact, there is -- provided the observer can be analyzed as part of the quantum system. But you can only do that if the observer is implemented on quantum hardware, so I postulated this quantum hardware that was running an artificial intelligence program, and as a result was able to concoct an experiment which would give one output from an observer's point of view if the parallel universes theory was true, and a different outcome if only a single universe existed.

This device that I postulated is what we would now call a quantum computer, but because I wasn't particularly thinking about computers, I didn't call it that, and I didn't really start thinking about quantum computation as a process until several years later. That lead to my suggesting the universal quantum computer and proving its properties in the mid-'80s.

WN: How many qubits (does it take) to make the general-purpose quantum computer useful?

Deutsch: I think the watershed moment with quantum computer technology will be when a quantum computer -- a universal quantum computer -- exceeds about 100 to 200 qubits.

Now when I say qubits, I have to stress that the term qubit hasn't got a very precise definition at the moment, and I've been arguing for a long time that the physics community ought to get together and decide on some criteria for different senses for the word qubit. What I mean here is a qubit which is capable of being in any quantum state, and is capable of undergoing any kind of entanglement with another qubit of the same technology, and all those conditions are actually necessary to make a fully fledged quantum computer.

If you relax any one of the those conditions it's much easier to implement in physics. For instance, if you call something a qubit but it can only be entangled with qubits of a different technology, then it's much easier to build. But of course a thing like that can't be made part of a computer memory. (With) computer memory you need lots of identical ones.

There's also the question of error correction. The one physical qubit is probably not enough to act as a qubit in genuine quantum computation, because of the problem of errors and decoherence. So you need to implement quantum error correction, and quantum error correction is going to require several physical qubits for every logical qubit of the computer. When I said you need 100 to 200, that probably means several hundred, or perhaps 1,000 or more, physical qubits.

WN: To get an effective 100 or 200 qubits.

Deutsch: Yes, and that is what would have to count as the watershed for quantum computation, for being a distinctive new technology with its own genuine uses.

WN: That's actually D-Wave's stated goal as well: essentially 1,000 qubits in two years. Do you think engineering-wise, and this is not completely within your realm, they will be able to maintain enough coherence at that level to create a practical computer.

Deutsch: As you said that really isn't my field. Maintaining coherence itself isn't quite enough. They've got to maintain coherence in the operation that I spoke of; that is, the arbitrary superposition, the arbitrary entanglement, and so on....

I don't know. The technologies I've seen so far have got way fewer than 1,000. They've got way fewer than 16. I always have to ask whether the claimed number of qubits are qubits that I would count as qubits by these stringent criteria, or whether it's merely two-state systems that can in some sense act in a quantum way. Because that's a much more lenient criterion.

WN: I don't have the sophistication to answer that, for D-Wave at least. If I were to ask you to cast your mind forward, saying everything goes well, what does a world that combines ubiquitous quantum computing and classical computing look like? And you've said that quantum computing would never replace classical computing.

Deutsch: It's not anywhere near as big a revolution as, say, the internet, or the introduction of computers in the first place. The practical application, from a ordinary consumer's point of view, are just quantitative.

One field that will be revolutionized is cryptography. All, or nearly all, existing cryptographic systems will be rendered insecure, and even retrospectively insecure, in that messages sent today, if somebody keeps them, will be possible to decipher ... with a quantum computer as soon as one is built.

Most fields won't be revolutionized in that way.

Fortunately, the already existing technology of quantum cryptography is not only more secure than any existing classical system, but it's invulnerable to attack by a quantum computer. Anyone who cares sufficiently much about security ought to be instituting quantum cryptography wherever it's technically feasible.

Apart from that, as I said, mathematical operations will become easier. Algorithmic search is the most important one, I think. Computers will become a little bit faster, especially in certain applications. Simulating quantum systems will become important because quantum technology will become important generally, in the form of nanotechnology.

WN: If we have practical nanotechnology, I imagine that's a huge change.

Deutsch: Nanotechnology has the potential of making a huge change. But the only involvement of quantum computers is that it will make it easier to design nanotechnological devices. Apart from that I don't think it's a big technological revolution.

What it is though, philosophically, is taking a quantum world view. That is rather a revolution, but that could happen today and the only reason it has been sluggish in happening is psychological, and maybe quantum computers will help with this psychological process. That's a very indirect phenomenon.

WN: It does allow people to play with it, and they often get things better when they play with them.

Deutsch: That's true.

WN: I wanted to ask you to describe your book a bit.

Deutsch: You'll remember I said for me the most important thing about quantum computation is the way it shows us the deep connections between physics on the one hand and computation on the other, which were previously suspected by only a few pioneers like Rolf Landauer of IBM.

My book (The Fabric of Reality) is about this connection between computation and fundamental physics, between those two apparently unconnected fields.... To me, (that connection is) part of a wider thing, where there are also two other strands, the theory of knowledge and the theory of evolution.

The Fabric of Reality is my attempt to say that a world view formed out of those four strands is the deepest knowledge that we currently have about the world.

benleidawang (本垒打王) 于 (Sat Feb 24 15:28:17 2007) 提到:

在网上又查了一些东西。要点是:

1.D-Wave在2005年就计划推出量子计算机雏型。里面有一点他们的技术解释。
2.D-wave在2005年6月得到了1750万美元的风险投资。
D-Wave Systems got $17.5 mln from Draper Fisher Jurvetson to work on a preliminary version of a quantum computer
3.第3篇当时有关的评价;
4.第4篇是说D-wave在2006年5月有了一个新的CEO Herbert J. Martin,有人对他的评价还不错。

-------------------------------------------------------------------------
http://www.dgl.com/itinfo/weblog/archives/00000130.html
Quantum Computer to be Ready in Three Years
by Dave Murphy

D-Wave Systems, a Vancouver-based computer engineering firm has announced it's schedule to build a working quantum computer that will be able to solve physical-simulation problems that currently aren't solvable using available processing tools. The computer is to be ready within three years. While most designs for quantum computers focus on the properties of quantum entanglement to calculate binary functions, the D-Wave system will use quantum tunneling, which enables particles to hop from one location to another without traversing the intervening space.

D-Wave's design takes advantage of an low-temperature superconducting analog chip, rather than the sensitive lasers and vacuum tools required by other quantum computer designs.

Dave's Opinion
For those of you who are long-time ITrain subscribers, you know that I've had an interest in the development of quantum computing tools for more than two decades. I'm excited about D-Wave's design, and I have to admit, I'm heartened by the company's ability to break ranks and look to an alternative design that may facilitate the early adoption of quantum computing technology.

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References
D-Wave Systems
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A Working Quantum Computer in 3 Years?
Posted by timothy on Wed Jun 22, '05 05:02 AM

06.22.05 @ 03:50 PM ET
author, 410.461.5366
Copyright © 2005 Damar Group, Ltd., All Rights Reserved

Vancouver, BC-based D-Wave Systems got $17.5 mln from Draper Fisher Jurvetson to work on a preliminary version of a quantum computer, Technology Review reports. Delivery date? Within three years: 'It won't be a fully functional quantum computer of the sort long envisioned; but D-Wave is on track to produce a special-purpose, "noisy" piece of quantum hardware that could solve many of the physical-simulation problems that stump today's computers, says David Meyer, a mathematician working on quantum algorithms at the University of California, San Diego.'"
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http://www.engadget.com/2005/06/23/d-wave-says-theyll-have-a-quantum-computer-ready-by-2008/
D-Wave says they'll have a quantum computer ready by 2008
Posted Jun 23rd 2005 11:42AM by Thomas Ricker
Filed under: Misc. Gadgets

If you think about it, a computer only needs to measure the change of state to, well, compute — be it ones and zeros or the state of subatomic particles. That's why there is such interest in the development of the mythical quantum computer (think supercomputer in a teaspoon). For the most part, efforts in quantum computer development have focused on a property called entanglement. But Vancouver startup D-Wave is focusing on quantum tunneling instead and hope to exploit this to develop a quantum computer within three-years (with a prototype by close of 2006). At the heart of their "less than fully functional" quantum computer is an analogue chip which must be cooled with liquid helium to -269 °C — just 4 °C shy of absolute zero folks! However, these purpose-built semiconductors rely on existing fabrication techniques and do not need the gee-whiz guts (delicate lasers, vacuum pumps) required by other quantum computers. While cryptographers will have to wait for their dream machine, intractable problems such as the infamous traveling-salesman (optimal route among cities) and optimization of financial portfolios and traditional computer chip layouts could be quickly sorted. Don't bother raiding the kid's college fund yet 'cause D-Wave expects to sell computational services not quantum hardware
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http://www.dabacon.org/pontiff/?p=1235
D-Wave News
May 9, 2006 on 6:27 pm | In Quantum, Computation |
D-Wave Systems, those crazy Vancouverites trying to build a quantum computer, have a new CEO:
VANCOUVER, BRITISH COLUMBIA, May 9 /CNW/ - D-Wave, developer of the world’s most advanced computers, has appointed Silicon Valley technology executive and entrepreneur Herbert J. Martin as chief executive officer.
Which makes me dream of the day when I will be able to include in my grant proposal a request for dollars to buy a quantum computer.
1. It’s a good sign. Herb is a top caliber CEO. Someone with his experience, background and success rate wouldn’t join the company if the technology wasn’t already working. Building working machines is necessary but not sufficient to build a successful business. History is littered with cool technologies that have failed in the marketplace.
Comment by Geordie — 5/12/2006

Monday, January 08, 2007

 

Some notes on quantum communication - 1

1.
http://eve.physics.ox.ac.uk/NewWeb/Research/communication/communication.html

2.
http://www.edn.com/article/CA6290450.html

3.
量子信息技术的新进展

——五光子纠缠和开放目的的量子隐形传态

中国科学院院刊

量子信息学主要是利用微观粒子作为载体,凭借着量子力学所特有的一些性质:不确定性、相干性、纠缠等,可以完成一些经典的通讯、计算、密码学无法实现的任务。包括,量子密钥分发具有绝对的安全性,量子计算机具有高并行性,因而在解决一些特定的复杂问题中具有经典计算机无法比拟的优势。量子隐形传态6,9可以通过量子纠缠和一个经典信道,完整无误地传送一个量子态,量子密集编码的信道容量是经典信道的两倍等。

量子纠缠可以说是量子信息最核心部分,几乎所有的量子信息处理过程都与其有关。量子纠缠本来是爱因斯坦等科学家为了证明量子力学的不完备而提出的一种很奇妙的量子概念,而在量子信息学中却成为最重要一种资源,并有着大量的应用:如在量子密钥分发中,基于量子纠缠交换和量子纠缠纯化的量子中继器可以克服长距离所带来的噪声和消相干;量子计算机本身的启动就需要大量的量子纠缠源[8],而运行过程中更是需要大量的基于量子纠缠的量子纠错过程;量子隐形传态和量子密集编码是基于量子纠缠而提出的概念。

量子纠缠是发生在多个微观粒子之间的一种物理现象,是指不论粒子间距离多远,一个粒子的态都是与其它粒子的态相关联的,信息大部分都蕴涵在粒子之间的相互关系上,对一个粒子的测量会影响到其它粒子的态,粒子之间不论相距多远,从根本上讲它们还是相互联系的。

众所周知,经典信息处理的最基本单元是比特(Bit,即二进制数0或1)。一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串就构成一个密钥,经典通信中信息的安全性依赖于数学问题求解的复杂性, 因而经典密码也就不可能绝对保密。然而,基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。另外,经典计算中存在着一大类NP问题(难解的非指数问题),即问题的复杂度随着比特位数的增长而指数上升。这类问题在经典计算机上求解非常困难,但是量子计算可以把其中的一部分NP问题变成P问题(容易求解的指数问题),即问题的复杂度随着比特位数的增长以多项式上升。这类问题原则上是可以计算的。一个具体的例子就是大数分解定理,按经典计算复杂性理论,这个问题不存在有效算法,所以被利用来进行经典密钥分配。但是如果用量子计算机,使用Shor量子算法,这个问题就变成了P问题。例如,为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,这几乎等于宇宙的整个寿命;而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约1分钟。因此,对于目前的密码系统,即使人们几乎无法利用经典算法对其进行破解,但一旦人们拥有了一台量子计算机,那么目前的密码系统将毫无保密性可言!这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战,因而对基于经典保密系统的行业(如军事、国家安全、金融等)的信息安全构成根本的威胁。因此,为了保证这些领域的信息安全,也为了拓宽人类对微观世界的认识,发展量子信息学刻不容缓:一方面,开发由量子力学基本原理保证其保密性的量子密码系统,另一方面,研制按照量子力学基本原理运行的量子计算机。为此,世界很多国家都投入了巨大的人力和财力积极地进行相关研究。

如上所述,量子信息学有着很重大的应用价值,如果实现,将是人类生产力的又一次飞跃。 由于在量子计算中存在着不可避免的噪声, 为了能实现量子计算,需要采用量子纠错技术。理论研究表明,普适的量子纠错需要5个或者更多的粒子的纠缠技术[1,2]。在1999年,潘建伟和他在奥地利的合作者们第一次在实验上制备了3个粒子的纠缠[5,7],随后在2000年,他们又制备了4粒子的纠缠态[3,4],并用它们验证了量子力学与定域实在论的矛盾。为了达到5粒子纠缠这一目标,在技术上面临着巨大的挑战。虽然对五光子纠缠的制备及操作的方案在理论上非常明确,但是它的实验实现非常难,迄今为止,自发的参量下转换(SPDC)依旧是最好的纠缠光子源,而且在最近的一些实验中仍被用来作为最基础的纠缠源。然而,由于参量下转换的必然性,导致五光子实验中5体符合计数会非常非常的低。

同时,在多粒子量子通讯以及量子计算中有个至关紧要的极具挑战性的实验——开放目的的隐形传态,在所谓的开放目的的隐形传态中,一个未知的单光子态将会被传送到一个N粒子的相干叠加态上,以证明分布式的量子信息处理,接下来,通过对其中N-1个粒子做一定方向的投影测量,原来的这个被传送的未知量子态可以在N个粒子的任何一个粒子上被读出。

我们首次报道了在实验上五光子纠缠跟开放目的的隐形传态的原则上实现[10]。在实验中,我们用两对极化纠缠的纠缠光子对来制备一个4光子纠缠态,然后与一个合适亮度的单光子态交迭在一起以得到我们想要的态。为了克服5体符合计数的困难,我们首先在制备高亮度的4光子基础上,进一步改进探测效率,我们可以在合理的时间内收集到足够的实验数据以验证五光子纠缠的存在。

我们的实验取得了以下的创新性成果:

(1) 首次实验实现五光子纠缠。为了证明五光子GHZ态已经被成功制备,我们在H/V基矢下对32种可能的组成成分做测量,实验结果表明其信噪比平均为40∶1,这证明了在实验的精度下只有我们所希望的HHHHH与VVVVV的成分存在(图1a);为了进一步验证两种成分确实是相干叠加在一起的,我们对5个光子在+/-基矢下做符合测量,在Delay2在0延迟的情况下两种组合成分+++++与++++-的计数关于Delay1的位置的关系曲线说明了这5个光子确实是五光子GHZ纠缠态。

(2) 首次用和五光子纠缠同样的装置实现了开放目标的隐形传态。我们首先制备了4个光子(2,3,4和5)的4体纠缠。将输入的光子1和纠缠态中其中一个光子(光子2)做一个贝尔测量。在随后的实验中,经过适当的操作,光子1的量子态会隐形传输到剩下的3个光子(3,4,或5)中任意一个指定的光子上。在实验中, 对输出的两个出口3、4的光子做45度的投影测量,光子1的量子态会传输到光子5上;同样,对输出的两个出口3、5的光子做45度的投影测量,光子1的量子态会传输到光子4上;对输出的两个出口4、5的光子做45度的投影测量,光子1的量子态会传输到光子3。 为了演示开放目标的隐形传态对光子1的任意态都能工作,我们选择传送45度线性偏振│+〉与│〉, 以及椭圆偏振右旋│R〉与左旋│L〉状态。在实验中,每次测量的时间为10小时,在极化分析测量中,我们所希望得到的5体符合在0延迟时最高计数率约为100的同时最低的计数率约为20,每个点的测量时间均为10小时。我们来看将光子1传送到光子5或者光子4的保真度,我们分别将+/-线性偏振、R/L的圆偏振做光子1的初始状态作隐形传态的测量,对应的保真度参见表1,从中我们可以看到所有观测到传送的保真度(≈0.80±0.04)远远高于经典2/3的限制,从而验证了开放目标的隐形传态。

我们的五光子纠缠以及开放目的的超空间传送实验实现的意义是相当深远的。首先,我们的工作是第一次在实验上成功地操纵了5体纠缠态,这是普适的量子纠错所需要的最少的粒子数;其次,开放目的的超空间传送的实现打开了分布式量子信息处理的各种新的可能性;最后,我们的实验技术可以在实验上重新对很多量子方案进行验证,比如比特翻转的量子拒错以及量子计算中最常用的非破坏的控制非门。

Nature杂志称赞说,“尽管五粒子纠缠以及终端开放的量子隐形传输的实现非常困难,但是中国科技大学的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举,他们的实验方法将量子计算和网格化的量子通信中有重要的应用”

致谢 该研究得到中国科学院知识创新工程、国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目)、国家基金委项目的资助和支持。

主要参考文献

1 Bennett C H , DiVincenzo D P, Smolin J A et ak. Mixed-state

entanglement and quantum error correction. Phys. Rev. A.,1996, 54: 3 824-3 851.

2 Laflamme R, Miquel C, Paz J P et ak. Perfect Quantum Error

Correcting Code. Phys. Rev. Lett., 1996,77: 198-201.

3 Sackett C A et ak. Experimental entanglement of four particles.

Nature, 2000, 404: 256-259.

4 Pan J W, Daniell M, Gasparoni S et ak. Experimental

demonstration of four-photon entanglement and high-fidelity

teleportation. Phys. Rev. Lett., 2001, 86:4 435-4 439.

5 Pan J W, Bouwmeester D, Daniell M et ak. Experimental test

of quantum non-locality in three-photon Greenberger-
Horne-Zeilinger entanglement. Nature 2000, 403: 515-519.

6 Bennett C H et ak. Teleporting an unknown quantum state via

dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys.

Rev. Lett., 1993, 83: 3 081-3 084.

7 Zeilinger A, Horne M A, Weinfurter, H et ak. Three-particle

entanglements from two entangled pairs. Phys. Rev. Lett.,1997,78: 3 031-3 034.

8 Knill E, Laflamme R, Milburn G J. A scheme for efficient

quantum computation with linear optics. Nature, 2001, 409:

46-52.

9 Bouwmeester D et ak. Experimental quantum teleportation.

Nature, 1997, 390, 575-579.

10 Zhi Zhao et ak. Experimental demonstration of five-photon

entanglement and open-destination teleportation Nature,2004, 430: 54-58.

杨 涛 潘建伟

(中国科学技术大学 合肥 230026)

摘要 由中国科技大学合肥微尺度国家实验室(筹)量子物理和量子信息部所完成的“五光子纠缠和开放目的的量子隐形传态”研究成果以Letter的方式发表在2004年7月1日出版的Nature上,欧洲物理学会和美国物理协会都对该工作进行了专题报道。本文介绍了该成果的研究背景,意义,内容。

成果与应用

Experimentak Demonstration of Five-photon Entangkement and Open-destination Tekeportation

Yang Tao Pan Jianwei

(University of Science and Technology of China 230026 He Fei)
"Experimental Demonstration of Five-photon Entanglement and Open-destination Teleportation" finished by the department of Quantum Physics and Quantum Information of Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Micro scale of USTC was published in nature on July 1st 2004. This progress was also reported by European Physical Society's website——Physics Web and American Physical Society. This article is about its background, signification and its detail contents.

Keywords entanglement, interference, teleportation

课题组负责人简介: 潘建伟 男,中国科技大学教授,博士生导师。1970年出生。1998年获奥地利维也纳大学物理学博士学位。2001年,入选“中科院引进国外杰出人才”,并获国家杰出青年基金。2002年,被国家教育部聘为“长江学者”。2003年,由于在量子态隐形传输以及量子纠缠态纯化实验实现上的重要贡献,被奥地利科学院授予青年物理学家最高奖——Erich Schmid奖。关于“量子态隐形传输实验研究”的工作分别于1997年入选欧洲物理学会“年度国际十大物理学新闻”、美国物理学会“年度国际十大物理学新闻”;于1998年入选美国Science “年度国际十大科技新闻”;于1999年入选英国 Nature 特刊“百年物理学21篇经典论文”、入选国家科学技术部“1999年基础研究十大新闻”。关于“三光子纠缠态以及量子力学非定域的实验检验”的工作于2000年入选美国物理学会“年度国际十大物理学新闻”。到目前为止,已在 Nature 发表论文6篇, Physicak Review Letters 上发表论文10余篇。

Sunday, January 07, 2007

 

Some notes on single-photon for communication

1.
世界首次通信波段的单一光子发生获得成功

东京,2004年7月27日 — 东京大学先端科学技术研究中心的生产技术研究所纳电子联合研究中心(1)的荒川泰彦教授小组与株式会社富士通研究所(2)共同开发出单一光子(3)的发生检测系统,并首先在世界通信波段中的单一光子的开发中获得成功。根据此次开发的技术,被称为临界状态的密码通信手段由以往的每秒仅限于100位(以下称为bps)的量子密码通信(4)速度被一气提高到其400倍以上的高速度,其成果面可谓向量子密码通信的实用化大幅度向前迈进了一步。

此次研究开发的一部分被作为日本文部科学省IT项目予以实施。

该技术成果首先发表在7月15日发行的JJAP(Japanese Journal of Applied Physics) Express Letter上。并且,该技术的详细内容于7月26日在美国亚利桑那州召开的半导体物理国际会议(International Conference on the Physics of Semiconductors;ICPS-27)上得以发布。

此外,该技术的一部分是作为日本文部科学省的研究开发委托事业-「IT程序~世界最先进IT国家实现重点研究开发项目~」中的课题之一的「光·电子装置技术的开发项目」予以研发的,同时,得到了独立行政法人物质·材料研究机构-纳材料研究所(5)的鼎力协助。

【开发背景】

随着互联网上的电子商务的普及,对通讯安全的需求日益高涨。其中,量子密码通信技术作为可将盗听的可能性降低至零的高度安全的临界密码通信手段,其研究开发活动在世界各地积极展开。

【研究课题】

为实现量子密码通信,需开发出能够将1脉冲所含的光子控制为1个的单一光子发生器。但是,由于实际应用中光纤通讯的波长段(1.3-1.55微米)中没有单一光子的发生技术,所以在以往的量子密码通信试验中,不得不使用通常的激光光源来代替单一光子。

但是,量子密码通信中所用的激光光源会使2个以上的光子进入到1脉冲内,从而无法将盗听的可能性降低为零。为了降低2个以上的光子进入1脉冲内的概率,需要降低光源的强度,因此,在使用激光光源的量子密码中便存在着如何提高目前远程通讯速度的100bps这一巨大问题。

【开发技术】

此次开发的内容,是利用1.3至1.55微米的具有实用性的通信波长段发生并测量单一光子的技术。开发技术的特长如下:

1.使用通信波长带的单一光子发生技术 (图1)

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_1.gif

图1:产生单一光子的半导体单元

使用光学仿真,从被称作量子粒的纳米尺寸的结构中,设计出了可有效发生光子的半导体单元。同时,新开发出了对极小结构的量子粒不产生损伤的半导体工序技术。根据这一成果,以往无法实现的利用通信波长段发生单一光子便成为可能。所使用的量子粒是由独立行政法人「物质·材料研究机构 纳材料研究所」的佐久间主任领导的研究小组与富士通研究所共同开发、制作出来的。

2.使用通信波长段的单一光子的检测技术 (图2)

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_2.gif

图2:单一光子检测系统示意图

为了能够提高新开发的半导体单元的聚光效果,又设计并开发出可将光子脉冲放出的光传输到通讯光纤上的单一光子发送系统。此外,将通过光纤的光束分为2股,设计开发出可准确检测2股光束的接收时间的单一光子接收系统。通过确认2股光束不被同时检测到,可证明发生的光束就是单一光子。

【实验结果和效果】

利用此次开发的系统进行实验,得出了这样的结论,即2股光束在被同时检测时,其干扰误差的范围为零,从而证明了使用通信波长带,可从量子粒中发生单一光子这一事实。(图3)。

http://www.fujitsu.com/img/CN/news/2004/0727_3.gif

图3:单一光子检测的实际结果

此外,虽然此次验证的单一光子的光波长为1.3微米,但是也可以观测到通常使用的通信波长为1.55微米的量子粒的发光。

通过利用通信波长段检测单一光子的发送,即使发送方的发光强度减弱,也可以保证量子密码的通信。根据这一特性,在100公里的通信距离中,其通信能力是以往使用激光光源的量子密码通信的约400倍,达到100kbps,在信息安全要求严格的政府机构、金融、医疗等领域中,实现了量子密码通信技术的实用化的飞跃性提高。

【今后】

今后,为验证波长为1.55微米的单一光子的传输,并提高单一光子的提取效率,大约2007年左右,实现单一光子发生器的实用化这一目标,我们正锐意推进相关的研发工作。此外,面对量子网络的建设,量子中转技术及量子计算技术的开发也在实施中。

Saturday, January 06, 2007

 

Some notes on quantum machine - 1

真的不知道有多少人在看我的blog,反正我本意是留给自己看的。不过扫了一眼流量,还是继续吧。

本月专题 量子计算机和量子保密通讯

I.
From http://www.frontfree.net/view/article_724.html 原文有图

量子计算机发展简史
原著:Simon Bone & Matias Castro 翻译:bianca 2003年3月26日


内容摘要
听起来好像有点奇怪,计算机的未来可以被建筑在一杯咖啡周围。那些咖啡因分子恰巧是构建“量子计算机”--一种能够保证提供可在几秒钟内破解密码的思想回应功能的新型计算机的可能组成部件。


内容目录
1.介绍
1.1量子计算机的基本要素
1.2量子计算机的缺点--(电子)脱散性
1.3取得结果
2.通用计算的理论
2.1加热流失的信息
2.2通用量子计算机
2.3人工智能
3.建立一台量子计算机
3.1量子点
3.2计算流体
4.量子计算机的应用
4.1Shor算法--Shor的算法--一个范例
4.2Grover算法
4.3量子机械系统的模拟
5.量子通讯
5.1量子通讯是如何工作的
5.2量子比特的任务
6.当今进展及未来展望
7.结论
8.术语表
9.参照表
9.1书籍
9.2人物
9.3杂志文章
9.4网页

1.介绍
经常会有能使计算机的性能大大改善的新技术出现。从晶体管技术的引进,到超大规模集成电路的持续性发展,科技进步的速度总是如此无情。近日来,现代处理器中晶体管体积的减小成为计算机性能改进的关键所在。然而,这种不断的减小并不能够持续很长的时间。如果晶体管变得太小,那种对量子机械的未知影响将会限制它的性能。因此,看起来这些影响会限制我们的计算机技术,它们真的会吗? 在1982年,诺贝尔奖获得者--物理学家Richard Feynman想出了 “量子计算机” 的概念,那是一种利用量子机械的影响作为优势的计算机。有一段时间,“量子计算机”的想法主要仅仅停留在理论兴趣阶段,但最近的发展令这个想法引起了每一个人的注意。其中一个进步就是一种在量子计算机上计算大量数据的算法的发明,由Peter Shor(贝尔实验室)设计。通过使用这种算法,一台量子计算机破解密码可以比任何普通(典型)计算机都要快。事实上,一台能够实现Shor算法的量子计算机能够在大约几秒内破解当今任何密码技术。在这种算法的推动下,量子计算机的话题开始集中在动力上,全世界的研究人员都争当第一个制造出实用量子计算机的人。


1.1量子计算机的基本要素

在计算机的经典模型中,最基础的构建要素--比特,只能存在于两种截然不同的状态之一:0或是1。在量子计算机中,规则改变了。一个原子比特--经常被简称为 “量比”(quantum bit) --不仅仅存在于传统的0和1状态中,还可以是一种两者连续或重叠状态。当一个量比处于这种状态时,它可以被认为存在于两种领域中:一种为0,而另外一种为1。一个基于这种量比的操作能够同时有效地影响两个值。因此,极为重要的一点是:当我们在量比上实行单一操作时,我们是在针对两种不同的值进行的。类似的,一个双量比系统能对4个值进行操作,而一个三量比系统就是8个值。因此,增加量比的数目能够以指数方式增加我们从系统获得的“量子并行效应”(量子并行效应)。在拥有正确算法类型的情况下,它能通过这种并行效应以远低于传统计算机所花费的时间内解决特定的问题。


1.2量子计算机的缺点--(电子)脱散性

使量子计算机如此强大的关键要点是,它对受量子机械规律决定的奇异的亚原子事件的依赖,而这也使它非常脆弱和难以控制。例如,假想一个处于连续状态的量比。一旦它和环境发生了可调节的相互影响,它就将脱散并落入两种传统状态中的一种,这就是脱散性问题。它已经成为了量子计算机作为建立在由连续性状态所带来的量子并行效应上的潜在力量的绊脚石。这个问题很复杂,即使只是看看量比也会引起它的脱散,这使从一台量子计算机获得结果的过程像量子计算机自己做运算一样难。

1.3取得结果
当一个利用量子并行效应的计算执行后,不同的领域将会得到许多不同的结果。事实上,我们只能通过关注各种结果之间的冲突来获得一个计算的结果。值得注意的是:关注一台量子计算机的结果(或者任何中间状态)将会阻止任何不同版本之间进一步冲突的发生。例如,可以阻止任何有用的量子计算继续进行。这种冲突可以用一个简单的例子来表明:在托马斯.杨(Young)的双缝干涉试验中,光通过两条平行细缝照向屏幕。展现在屏幕上的明暗条纹的图案是相长和相消的结果。用类似的方法,每种状态的计算结果都相长和相消出一个可以测量的结果。这个结果对于不同的算法有着不同的重要性,并且可以用于手工推算问题结果(例如:见Shor's algorithm - An example)。

图1 托马斯.杨(Young)的双缝干涉试验演示了光子的干涉。

2.通用计算的理论
所有计算机,从Charles Babbage的分析解析机(analytical engine)(1936)到建立在PC基础上的Pentium(tm),它们的共性之一,是在Alan Turing的著作中所阐述的古典计算理论。事实上,Turing的著作描述了通用的图灵机的概念,一种非常简单的计算机模型,它能够被设计用来执行任何被自然地认为可计算的操作。所有的计算机都必然能够实现通用图灵机。尽管它们中的有些可能比其它的更快、更大或更昂贵,但它们在功能上是相同的,它们都能执行同样的计算任务。

2.1加热流失的信息
大量的时间都被花费在研究量子理论是否在计算机器上设置了基本限制。结论是,现在普遍相信:物理学并未在计算机器速度、可靠性和记忆容量上设置任何绝对的限制。然而,有一点需要考虑的是,信息可能在计算过程中被丢失。为了使一台计算机能够运行得快,它的操作必须是可逆的。(例如,它的输入必须完全可以从它的输出推出来)。这是因为不可逆的计算将会引起一种可换算成熵的信息的丢失,因此,系统散热的有限能力将会反过来限制计算机的性能。一个信息丢失的例子是一种常见的与门。一个与门有两个输入而只有一个输出,这就意味着在从输入门移动到输出门的过程中,我们损失了一比特的信息。

1976年,Charles Bennett证明了可以利用非门建立一种通用计算机,这种计算机在表示具有原始可逆操作的程序时不会降低它的速度。而有一种合适而且通用的非门可以用来制造计算机--Toffoli门(见图2)。

图2Toffoli门的输入是完全可以从它的输出推断出来的。

2.2通用量子计算机
Church-Turing理论:“存在或者可以制造一种计算机,这种计算机能够被设计进行任何自然物体能够进行的计算。”

在量子计算理论中,已经取得了一系列重大进步。第一个是由Richard Feynman在1982年发现的:一个简单级别的通用模拟器能够模拟任何既定的自然物体的行为。1984年,David Albert做出了第二个发现:他描述了一种“自我调节量子机器人”,这种机器人能够执行任何传统计算机都无法模仿的任务。通过指导这种机器人进行自我调节,它能够获得仅靠从外界环境进行度量绝对无法获得的“主观”信息。最后而且可能也是最重要的发现是由David Deutsch在1989年做出的,他证明了所有既定计算机的计算能力遵从于量子计算机的规则,一种可以从一台单一的通用量子计算机中获得的规则。这种计算机可以通过Toffoli门的量子等价以及添加一些能够带来0和1状态的线性重叠的操作来实现。这样,一台通用量子计算机就完成了。这个发现需要对Church-Turing理论:“存在或者可以建造一种计算机,这种计算机能够被设计进行任何自然物体能够进行的计算。”进行一点调整。

2.3人工智能
量子计算理论和人工智能领域有一些有趣的联系。对于一台计算机是否真的能实现人工智能的争论已经持续了数年,并且很大程度上是哲学的争论。那些反对这种观点的人解释说:人类的思想,即使只是在理论上,也不可能在图灵机上实现的。

量子计算理论允许我们从一个有些微不同的视角来看待意识问题。首先值得注意的是,任何自然物体,从一块岩石到整个宇宙,都可以被看做是一台量子计算机;而任何可察觉的自然过程都可以被视为一种计算。在这些标准下,大脑可以作为一台计算机而意识就是一种计算。争论的下一个阶段主要是基于Church-Turing理论,并且证明:因为每一台计算机在功能上都是等价的,每台既定的计算机一定能模仿其它的计算机,所以用一台量子计算机模仿意识理性思维必然是可能的。

一些人相信量子计算机是突破人工智能问题的关键所在,但是另外一些人不同意。牛津大学的Roger Penrose认为,意识需要一种更奇特的(也是未知的)物理学。

3.建立一台量子计算机
一台量子计算机在设计上没有什么类似传统计算机,例如你不能使用晶体管和二极管。为了制造一台计算机就需要产生一种新的技术,一种能使“量比”在0和1之间以连贯重叠的状态存在的技术。尽管实现这个目标的最优方法仍然是未知的,但已有许多方法在实验中,并被证明取得了不同程度的成功。

3.1量子点
一个量比执行的范例是“量子点”,它基本上是一个被困在原子牢笼中的单一电子。当量子点暴露在刚好合适波长的激光脉冲下并持续一段时间,电子就会达到一种激发态:而第二次的激光脉冲又会使电子衰落回它的基态。电子的基态和激发态可以被视为量比的0和1状态,而激光在将量比从0状态撞击到1状态或从1撞击到0的应用,能够被看成是一种对取非功能的控制。

如果激光持续时间只有取非功能要求的一半,那么电子将同时处于基态和激发态的重叠中,这也等价于量比的连贯性状态。而更多复杂的逻辑功能可以通过使用成对的安排好的量子点被模拟出来。因此,看起来量子点是一个合适的建造量子计算机的候选人。然而不幸的是,有许多实际问题阻止了这种情况的发生:
1.电子在衰落回基态之前只能在激发态维持一微秒(百万分之一秒)。需要记住的是,每种激光脉冲需要持续的时间大约是1纳秒。这就对在信息散失前所能做出的运算步骤的数量有了限制。
2.构建量子点是一个非常艰难的过程,因为它们如此微小,而使用这些量子点制造一台计算机的技术到目前为止还不存在。
3.为了避免数以千计的激光射入一个狭小的空间,量子点应当制造以回应不同频率的光。一束能够可靠地进行自我调整的激光将会选择性地瞄准有着不同光频率特性的不同组别的量子点。又一次的,这是一项还不存在的技术。

3.2计算流体
量子点并不是唯一的经过试验的执行量比,其它技术试图使用个体原子或激光的分化作为信息的媒体,而脱散性是这些技术的普遍问题。人们尝试将这些实验从它们周围环境屏蔽起来,例如在千分之一的绝对零度的温度下将其冷却,然而这些方法在减少这个问题的影响方面取得了极其有限的成功。

量子计算领域的最新发展采用了一个根本性的新方法。这种方法放弃了量子媒质应当小并且和它的周围环境隔离的假设,而是使用大量的分子来储存这些信息。当处于磁场中时,一个分子中的每个核子都会在一个特定方向上的旋转,这个旋转特性可以用来描述它的状态,上旋表示1而下旋代表0。核子磁性共振技术可以被用来检测这些旋转状态,特殊无线电波脉冲能够把核子从上旋(1)撞击到下旋(0),反之亦然。

使用这种技术的量子计算机本身就是一个分子,而它的量比就是分子内的那些核子。但是这种技术并不能只使用一个单一分子来实现这些计算,而是用一整“杯”流体分子。这种方法的优势在于,即使液体分子彼此撞击,每个分子中核子的旋转状态仍能保持不变。脱散性仍然是一个问题,但是到目前为止,在这种技术中脱散前的时间已经比任何其它技术的时间要长许多。研究人员相信,几千个原始逻辑操作能够在量比脱散前实现。

麻省理工学院的Dr.Gershenfield,是流体计算技术的倡导者之一。他的研究队伍已经能够将1和1加起来,这是一个远远超越其它任何正在研究中的技术能力的简单任务。而能够计算更复杂任务的关键在于拥有更多的原比,但是这要求更多复杂的分子以及大量的核子,因此咖啡因分子成为一个可能的候?N蘼壅庵址肿邮鞘裁矗?0量比系统的进步都是显而易见的。Dr.Gershenfield希望这样一个系统在年底,将能够乘以数字15。

超过10量比系统的进步可能会更加困难。在一个给定的“计算流体”样本中,将会有大约偶数个上下旋状态,但是将会有一点在超过一个方向上的旋转存在。正是这些少量额外旋转的所发出的表现得好像它是一个单一分子的信号,使它能够被检测出来以及进行运算操作,而剩下的旋转将会有力地彼此抵消掉。这种信号相当微弱,并且在每个量比被加入的时候,以大约2倍的速度持续性减弱。这就会限制一个系统可能拥有的量比的数目,而易读的输出将会更难以检测出来。

4.量子计算机的应用
非常需要注意的是,一台量子计算机并不一定在所以计算任务上都会比一台传统计算机做得好。例如,乘法运算在一台量子计算机上执行的不比在一台类似的传统计算机上快。为了显示量子计算机的优越性,就需要使用开发量子并行效应能力的算法。这些算法难以阐述,而值得记住的最显著理论化的算法当属Shor的算法和Grover的算法。通过使用好这些算法,量子计算机能够大大优于传统计算机。例如,Shor算法允许以极快的速度因式分解大数字。一台传统计算机在分解1000位阿拉伯数字时需要花费10,000,000,000,000,000,000,000,000年,而一台量子计算机只需大约20分钟。

4.1Shor算法--Shor的算法--一个范例
这是Peter Shor在1995年发明的算法,它能够快速地分解大数字。如果它曾经被使用过,它将会对密码系统有着深刻的影响,它会威胁到由公钥密码学所提供的安全性(例如RSA)。

受到威胁--公钥密码学
这是当前最常用的发送密码数据的方法。它通过使用两把密钥来工作,一把公开的,一把私人的。公开的密钥用来给数据加密,而私人的密钥用来解密。公开的密钥可以容易地从私人的密钥获得,而反之却不可能。然而,一个掌握着你公开密钥的窃听者原则上可以计算出你的私人密钥,因为它们在数学上是相联系的。为了破解私人密钥,需要分解公开密钥,然而这项任务被认为是无法处理的。

例如,1234乘以3433容易算出来,但计算4236322的因子就不那么容易了。分解一个数的质因子的计算复杂度随该数增长而迅速膨胀。破解RSA129(有129位阿拉伯数字)时,花费了1600位因特网用户8个月的时间。密码破译着认为,更多的数字应当被加到密钥中以抵抗计算机性能的增长(这将花费比宇宙年龄还长的时间来计算RSA140)。然而,对于使用运行Shor算法的一台量子计算机,密钥中的阿拉伯数字个数对问题的难度有着极小的影响。破译RSA140只需花费几秒钟的时间。

Shor算法--一个范例
这部分的目的是说明Shor算法有关的基本步骤。为了使问题相对简单易懂,我们将考察找到数字15的质因子问题。因为算法主要由三步组成,讲解将会分为3个阶段...

阶段1

算法的第一个阶段是将记忆寄存器放入一段它所有可能状态的连贯重叠中。字母“Q”将会用来表示一个处于连贯状态的量比。

图3 一个3量比寄存器可以同时表示8个传统状态

当一个量比处于连贯状态中,它可以被认为存在于两个不同的领域中。它作为“1”存在于一个领域中,而在另一个领域中,以“0”存在(见图1)。将这种想法扩展到3比特寄存器,我们可以想像为寄存器存在于8种不同的领域,在每个领域都可以表现一种传统的状态(例如,000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)。为了储存数字15,需要一个4比特的寄存器(能够同时在连贯状态下表现数字0到15)。

在寄存器上执行的计算可以被当做并行的一整组计算,每个领域一个。事实上,一个在寄存器上执行的计算是执行在寄存器所能够表现的所有可能值上的。

阶段2

第二个阶段的算法使用寄存器执行一个运算。运算细节如下:
1.数字N是我们希望分解的,N=15。
2.挑选一个随机数N,1 < X < N-1。
3.X达到存放在寄存器(寄存器A)中的大小,然后除以N。
4.这个操作的余数被放在第二个位寄存器中(寄存器B)。

图4 第二阶段的操作

这个操作之后,寄存器B包含有各个领域结果的叠加。这可以通过一个例子来极好的证明:如果我们令X为2,那么寄存器B中对应于寄存器A中的每个可能值的内容如下。

表格1 寄存器B的内容,N=15, X=2。
注意到寄存器B的内容符合一个重复的序列(1,2,4,8,1,2,4,8...),而这些重复的频率可以被称作f。在当前这种情况下,重复的频率(1, 2, 4, 8)有4个值,所以f=4。

阶段3

最后一个阶段可能是最难以理解的。重复的频率,f,在使用一台量子计算机时将会被发现,这是通过在寄存器B上执行一个复杂的操作,然后察看那些引起每个领域的结果彼此干扰的内容实现的。作为f的结果而发生的值在接下来的等式中被使用,以计算一个可能的质因子。

图5 用来计算质因子的等式

结果数字并不能保证它是一个质因子,但是是的可能性很大。而生成f值的干扰容易使正确答案作为不正确的答案而互相抵消掉。

在我们的例子中,f=4的值确实给出了一个正确的结果3。

答案并不能保证正确的事实并不重要,因为它可以通过乘法很容易地检查出来。如果答案是错误的,用不同的X值重复上述计算将会很有可能得到正确的解。

4.2Grover算法
Lov Grover曾经写过一个算法,使用量子计算机用比传统计算机快的速度检索一个未排序的数据库通常,这需要花费N/2个数字的时间来在一个具有N个入口的数据库中搜索发现一个特定的入口。Grover的算法使在N叉检索中进行相同的搜索变得可能。随着数据库的规模和综合程度增长,这种时间上的节省变得具有显著意义。这种算法所带来的加速是量子并行结构的结果。数据库有效地分布在大量的领域,并且允许一次单一的搜索定位要求的入口。更多数量的操作(与叉N成比例)要求实现,以满足显示一个可读结果的要求。

Grover的算法在密码系统领域有着重要的应用。使用这种算法破解数据加密标准(DES),一种用来保护银行间的经济事务及其它事物的标准,在理论上是可能的。这个标准是建立在一个双方都事先知道的56-比特的数字的基础上的,这个数字被用作加密和解密数据的密钥。

如果一个加密文档及它的原始资料都可以获得,那么就可能找到那个56-比特的密钥。一个使用传统方式的穷举搜索必须在找到正确解前搜索2的55次方个密钥。即使每秒钟尝试10亿个密钥,也需要花费超过一年的时间,而相比较而言Grover的算法找到密钥只需185次检索。对于传统的DES,一种阻止现代计算机破解密码的方法(例如,如果计算机越来越快),仅仅只要在密钥上添加额外的数字,就会使搜索的次数呈指数增长。然而,这对于量子算法速度的影响是可以忽略不计的。

4.3量子机械系统的模拟
1982年,Feynman推测说,量子计算机将能够比传统计算机更大程度地精确模拟量子机械系统。据推测,一台拥有几十个量子比特的量子计算机能够进行模拟,而这对于一台传统计算机来说,所需的时间是不现实的。这应当归因于计算机时间和内存的使用是按照讨论中的量子系统的规模呈指数增长的。

对于传统计算机,一个量子系统的动力学可以用近似值模拟。然而,一台量子计算机能够被“设计”,通过诱使它的变量发生交互作用来模拟一个系统的行为。它们模拟了正在讨论中的系统特性。例如,一台量子计算机能够模拟“笋瓜模型”(一种描述电子在晶体中移动的模型),而这样的任务是超出当今传统计算机的工作范围的。

5.量子通讯
在量子计算方面的研究开创了无旋转领域的量子沟通。这部分研究的目标是通过使用量子机械影响的特性,提供安全可靠的通讯设施。

5.1量子通讯是如何工作的
量子通讯利用光的偏振(例如,一个光子振动的方向)对数据进行编码。在一个方向上的振动可以被视为0,而另一个为1。常用的有两种偏振方式,直线型和对角型(见图6)。

图6 光的偏振可以被用来对数据进行编码。为了接收数据,滤光器的偏振化方向必须与光子的相匹配。

量子通讯开发的特性是,为了接收正确的信息,必须测量光子并使用正确的滤光器偏振方向。例如,和信息传送的偏振方向相同。如果一个接收器是处于直线型的偏振方向,那么就会发射出对角偏振的光子,然后一个完全随机的结果就会出现在接收器上。使用这种方法,特性信息能够发送而使窃听者无法不被发现地偷听。这种机械装置工作原理如下:

1.发送者用随机偏振方式传送信息至接收者。
2.接收者检测这个信息并记录下来(仍然使用随机偏振方式)。
3.然后,发送者通过公共线路通知接收者他所使用的偏振方式。
4.接收者和发送者对在正确偏振方式下获得的信息进行随机选取,进行比较。
5.如果一个窃听者中途截取并转寄信息,那么错误发生的比率将会比预期的要高,这就会引起接收者和发送者的警觉。
6.如果检测出窃听者,那么整个过程将会被重复。

例如,假设有一个发送者叫Alice,她希望传送信息给Bob而不希望被窃听者Eve听到。他们就会遵循上述步骤。如果Eve试图偷听,她就需要测量来自Alice的比特,然后再转寄给Bob(她不能仅仅察看信息,因为这样做会改变信息内容)。她必须使用随机偏振方式,因为她不知道Alice所使用的。可能,Eve会接收到50%的正确信息,而另外的50%由随机的值组成。而大约一半的随机值是正确的,这意味着Eve最好情况下可以将75%的正确信息发送给Bob。

假设通讯线路上的噪音是可以忽略的,Bob将能够检测出Eve偷听了,因为他按照正确的偏振方向所收到的信息包含超过25%的错误。他通过和Alice在公共线路上对随机选取的信息进行比较以检测错误。

另外一种Eve搅乱Bob和Alice通讯的方法是中途截取信息,再将她自己的发送出去。Alice和Bob讨论的一组随机选择的值将会阻碍Eve,并暴露出Eve修改了信息。无论Eve截取的信号有多么微小,Alice和Bob总能够发现她在线上偷听。这个系统只能在通讯线路的噪音可以忽略的情况下工作。如果线路有,例如25%的噪音,就无法将窃听者从噪音中区分出来。英国电信已经成功地实现了在超过10公里的距离上只有9%的错误的线路,这为量子通讯提供了一个具有希望的未来。

5.2量子比特的任务
一个量子通讯不同的方法是量子比特的任务。使用这种方法,人们可以比较或结合信息,同时保持每个独立文献的隐秘性。这种技术的一个可能应用是合同出价(令公司提出它们最可能的出价,而不仅仅是比最高价位高)。

这种方法的基本操作如下:

1.Alice向Bob发送出一串光子,所有这些光子都具有相同的偏振方式。
2.Bob接收到这些光子,随机地改变他的偏振方式,然后记录下结果。
3.当Bob的偏振方式和Alice的相同时,通过告知他他所见的1和0的形式,Alice能够向Bob证明她所发出的信息。

这个系统的缺点是,Alice能够通过创建成对的光子而只向Bob发送一个来进行作弊。这些配对的光子有着奇怪的量子特性,无论它们分开多远,对一个的观察将会影响到令一个在接收者面前的样子。Alice可以通过修改她手中的副本来改变Bob的光子。研究者们已经发现这个问题一段时间了,而 Mayor 最近证明了,这是所有量子比特系统的一个普遍缺点。

6.当今进展及未来展望
最近,在“流体计算”技术方面由Dr.Gershenfield和Dr.chuang(Los Alamos国家实验室,新墨西哥州)领导的工作给予量子计算一个有前景的未来。事实上,Dr.Gershenfield相信,如果现在进步的速度持续下去的话,在不到10年的时间内,量子联合处理器将会变成现实。其它技术,例如量子点,当我们的技术进步后,可能会产生出类似的结果。而乐观者指出,现在研究人员所试验的问题看起来像是技术问题而不是根本性问题。
尚未解决,并且许多人,包括IBM公司托马斯.沃森研究中心的Rolf Landauer,认为量子计算机不太可能发展超过10-量比系统(如上所述),因为脱散性使它们过于脆弱以至于不实用。

量子通讯方面的研究人员已经享受了很大程度上的成功。部分涉及到的计算机已经能够在大约10公路的距离上进行安全的通讯。根据发展这些线路的花费以及现存的对它们的需求,量子通讯将会有一个强大的未来。

7.结论
随着传统计算机渐渐接近它们的极限,量子计算机保证了给予一种新的计算能力水平。随着量子计算机的到来,一种结合了奇特的量子机械效应的,并将每种自然物体看做某种量子计算机的,全新的计算理论诞生了。因此,量子计算机具有模拟任何限定的自然系统的理论能力,并且掌握着制造一台人工智能计算机的关键。量子计算机通过大量的并行领域计算的能力,使它具有了快速计算许多传统计算机实际永远无法解决的任务的能力。这种能力仅仅在使用正确的算法时才能显现出来,然而这种算法是极其难以表达出来的。有些算法已经开发出来了,它们在密码使用系统领域有着巨大的应用。这是因为它们能使最常用的密码技术在几秒钟的时间内被破解掉。讽刺的是,量子计算和量子通讯的无旋转性,允许信息发送而使窃听者无法不被发现的窃听。 至少到现在,密码系统领域还是安全的,因为量子计算机被证明难以实现。它们强大的特别之处,它们对于量子机械的依赖,同时也使它们变得非常脆弱。即使最成功的试验也只能将1和1加在一起。没有人能够断言研究人员所尝试的问题能否被克服。一些人,例如Gershenfield博士,充满希望地认为它们能够做到;而同时,另外一些人相信量子计算机将会永远是脆弱而无法应用的。

8.术语表
连贯性 用来描述稳定重合状态的术语
计算流体 一种可能的量子计算机,它的分子可以被用作量比。
脱散性 当一个量比稳定在它的状态之一
DES 数据加密标准
对角型 45度或135度的偏振方向
Grover的算法 一个检索数据库的算法,同时也可以用来破解DES
NMR 核磁共振
偏振方向 一个光子偏振的方向
公钥加密 一种利用分解大数字的难度以防止破解的加密方法
量子比特任务 一种有缺陷的信息原文件校验方法
量比 一个量子比特,它能够同时处于0和1状态
量子并行状态
通过对量比进行操作,可以在一次计算中处理许多值
量子通讯 使用量子影响发送信息,使窃听者无法不被发现的偷听
量子计算机 一台具有利用量子并行影响能力的计算机
量子点 一个量比的可能应用
直线型
水平和垂直的偏振方向
Shor的算法 分解大数字的算法
Toffoli门 一个通用的非门

VLSI 超大规模集成电路

9.参照表
9.1书籍


9.2人物


9.3杂志文章
The coffee cup super computer. Tom Standage, Telegraph Connected 3/6/97 咖啡杯充当计算机(Tom Standage, Telegraph Connected 3/6/97) 对于量子计算的一个非常简要的介绍
A quantum revolution for computing. Julian Brown, New Scientist 24/9/94 计算的量子革命(Julian Brown, New Scientist 24/9/94) 包括相当具体的量子计算历史和一个相对简单的对Shor算法的解释
The best computer in all possible worlds. Tim Folger, Discover 1/10/95 所有可能领域中最好的计算机,(Tim Folger, Discover 1/10/95) 对于量子计算进步的长但是可理解的说明
Two-bit heroes - Computing with quanta. The Economist Volume 338 Issue 7948 两比特英雄--量子计算(The Economist Volume 338 Issue 7948) 一个量子计算的浅显介绍
Cue the qubits: Quantum computing - How to make a quantum computer. The Economist Volume 342 Issue 8005 量比的提示:量子计算--如何制造量子计算机(The Economist Volume 342 Issue 8005) 关于量子计算的有益介绍
Wake up to Quantum Coffee. Howard Baker, New Scientist 15/3/97 意识到量子咖啡(Howard Baker, New Scientist 15/3/97) 一个关于相对成功的量子计算方面的流体计算技术的全面讨论
Demonstrate logic gates for quantum computing. Bertram Schwarzchild, Physics Today 1/3/96 为量子计算证明逻辑门(Bertram Schwarzchild, Physics Today 1/3/96) 由物理学家指导的关于量子逻辑门的报告
Quantum cheats will always win. Robert Pool, New Scientist 17/5/97 量子欺骗总能获胜(Robert Pool, New Scientist 17/5/97) 一篇详细设计了量子比特任务通讯方案的基本基础的短文
Future of quantum computing proves to be debatable. Christopher Monroe, Physics Today 1/11/96 量子计算的未来是具有争议的(Christopher Monroe, Physics Today 1/11/96) 现实地看待量子计算的可行性
Quantum computation. David P. DiVincenzo, Science 13/10/95 量子计算(DiVincenzo, Science 13/10/95) 一份关于量子计算的全面报道,不幸的是,文章淹没在物理符号中
Brewing a quantum computer in a coffee cup. D. Vergano, Science News 18/1/97 在咖啡杯中酿造量子计算机(D. Vergano, Science News 18/1/97) 关于量子计算方面的流体计算技术的简要介绍
Universal Quantum Simulators. Seth Lloyd, Science 23/8/96 通用量子模拟器(Seth Lloyd, Science 23/8/96) 对于量子计算机在模拟方面应用的深入观察
When silicon hits its limits. Tom Thompson, Byte 1/4/96 当硅达到它的极限(Tom Thompson, Byte 1/4/96) 这篇文章包括对量子计算机的概念和它的可能优势的介绍
Quantum computation. Artur Ekert, American Institute of Physics 1993 量子计算(Artur Ekert, American Institute of Physics 1993) 一份全面但是技术性的论文
Searching a quantum phone book. Gilles Brassard, Science Volume 275 31/1/97 搜索一个量子电话本(Gilles Brassard, Science Volume 275 31/1/97) 尽管有些浅显,但仍然是对Grover算法的良好解释
Quantum-quick Queries. Ivars Peterson, Science News Volume 150 31/8/96 快速量子的置疑(Ivars Peterson, Science News Volume 150 31/8/96) 对于Grover算法的良好快速介绍
Quantum code breaking. The Economist, Volume 331 30/4/94 量子密码破解(The Economist, Volume 331 30/4/94) 用外行术语解释的密码破解
Quantum computation. David Deutsch, Physics World, 1/6/92 量子计算(David Deutsch, Physics World, 1/6/92) 一份关于量子计算的全面而鼓舞人心的指导
Experimental quantum cryptography. C.H.Bennet, F.Bessette, G.Brassard, L.Salvail, J.Smolin 1/11/91 实验性的量子密码系统技术(C.H.Bennet, F.Bessette, G.Brassard, L.Salvail, J.Smolin 1/11/91) 实例深入分析量子密码系统技术
Quantum keys for keeping secrets. Artur Ekert, New Scientist Volume 137 16/1/93 保护秘密的量子关键(Artur Ekert, New Scientist Volume 137 16/1/93) 非常有用的对于量子通讯的分析

其它文章:
Quantum Computation, Physics World, 1992, David Deutsch
A quantum leap in secret communications. William Bown, New Scientist 30/1/93
Tight Bounds on Quantum Searching, M. Boyer, G. Brassard, P. Hoyer, A. Tapp
Quantum Cryptoanalysis introduction, Artur Ekert
Weirdest Computer of All, The Economist, 28 Sept. 1996
Is the universe a computer?. Julian Brown, New Scientist 14/6/1990
It takes two to tangle - in the quantum world. Ben Stein, New Scientist, 28/9/96
Quantum communication thwarts eavesdroppers. David Deutsch, New Scientist, 9/12/89
Quantum leap in code cracking computers. Mark Ward, New Scientist, 23/12/95
Quantum Code-breaking, The Economist, 30 Apr. 1994
Physical Revue Letters. (Vol. 78 p3414).

9.4网页
The Kitchen Sink 量子计算(连接到量子计算领域) http://sps1.phys.vt.edu/~alandahl/
quantum_computing.html
加里福尼亚理工学院量子光学 一个试图解决脱散性问题的团体 http://www.cco.caltech.edu/~qoptics/
量子密码分析学--介绍 对于使用Shor算法分解的有益介绍 http://eve.physics.ox.ac.uk/QCresearch/
cryptoanalysis/qc.html
粒子束流物理实验室 量子计算的链接 http://vesta.physics.ucla.edu/~smolin/index.html
大量自旋共旋量子计算 有关咖啡杯量子计算机的文章 http://feynman.stanford.edu/qcomp/NMRQC/home.html
Iain Stewarts的主页 更多关于量子计算的链接 http://www.doc.ic.ac.uk/~ids/quantum_computing.html
量子编码 通过Innsbruck组的量子通讯 http://www.sigmaxi.org/Amsci/issues/Sciobs96/Sciobs96-11Encoding.html"
量子计算方面的技术论文 各种关于量子计算机方面的论文,大部分需要深入的知识以理解 http://feynman.stanford.edu/qcomp/artlist.html

II.
发信人: GaoHuo (横扫企鹅), 信区: TsinghuaCent
标 题: Re: 清华应明生组新添PRL一篇
发信站: 水木社区 (Sun Jan 27 16:44:24 2008), 站内

应老师做的就是要在计算模型上有突破,说到工艺,那还是遥远的未来才会考虑的。我对这一行算是一知半解,都是基于以往的旧知识,瞎说几句,望作引玉之砖。

为什么说要在计算模型上有突破,自从费因曼提出量子计算机的概念后,一直有人声称量子计算机的计算能力比经典计算机强,这是个事实,已经被Shor算法、Grover算法部分证明。但是量子计算机是不是比传统计算机更有效,即对那些NP完全问题是否存在多项式量子算法,这就不是简单的靠几个特殊问题的量子算法能搞定的,必须从理论基础上进行研究。传统计算机的数学模型是图灵机,用来表示算法、程序和符号行的变换,研究算法复杂度是必不可少的。要从根本上研究量子计算机的计算能力,自然的想法就是建立有别于经典图灵机的量子图灵机数学模型,并在这个基础上定义各种算法复杂类比如QP问题类什么的(类似P、NP问题),如果能证明NP∈QP,那一切就都结了,量子计算机的计算能力确实比传统计算机高一个档次。但我印象中没见到过,几个著名的量子算法,Shor是BQP,有出错几率,而且不知道大数分解是否属于P或者NP;Grover搜索算法并不是log(N)的量子算法。因此这个领域是有大量问题需要研究的,比如计算机系姚期智的博士孙晓明一个被资助的研究项目就是“量子计算复杂性与经典计算复杂性的关系”。

关于量子并行性,量子计算机被认为有更强大的计算能力,是因为所谓的量子计算的并行性,因为量子计算的“输入”可以通过Hadmard变换很容易生成一个有2^n个组份的量子迭加态,在这个输入上的进行的任何幺正变化(量子计算)都是同时对2^n个输入进行,就是所谓的量子并行计算,不过这里有个大问题,就是如何把这2^n个计算结果读出来?怎么知道哪个是想要的结果(除非不依赖于这一过程)?于是就有了10年前的Grover算法,该算法提出后轰动一时,成为量子信息方面灌水的超级大坑,因为貌似可以因此证明所有经典的NP问题在量子计算机上“运行”时至少可以比经典计算机快得多,不过可惜的是它仍然不是多项式的。另外当年好多group(都是物理学家)甚至宣称他们找到了对Grover搜索算法的根本性提高,即无序数据库的多项式量子算法,不过后来都一一被人拍死。当然如果真能找到这样的算法,那么就真有NP∈QP,牛人们不妨继续吃这个螃蟹。

再说到应老师。量子图灵机的概念最早1985年Deutsch就提出了,但是看起来很糙。后来很多物理学家都试图完善量子图灵机的定义,写了很多paper,不过我个人认为似乎都有个缺陷,就是他们都是在原来的图灵机模型上作简单的修补,把量子力学的态的性质传递给图灵机,这样虽然直观,但在这样的模型上进行文法、算法的研究基本是不可能的,不知道后来有何发展。另外就是引入量子自动机模型,这些Moore、Gudder等人都做过,效果如何本人就不知道了。应明生老师在国际上率先独创性提出基于量子逻辑也就是完备正交模格值(而不是传统的布尔代数)的自动机理论,并和弟子们在文法理论中作了一系列漂亮的工作(在国内反正是曲高和寡),他们也由此切入到本该物理学家研究的领域,即量子信息中的一些物理问题,因此就有了国内计算机系破天荒的3篇PRL。应老师做的这些理论模型,即使量子计算机今后不具备物理实现的可能(个人倾向于这一点),也是很有意义和启发性的,毕竟量子计算机带来了给出NP完全问题的多项式算法的可能性。

八卦几句量子逻辑。其实量子逻辑的最初概念1936年始于冯诺伊曼,不过和量子计算风马牛不相及,当年是为了掺和量子力学的测量问题争论的。该问题当年令无数大物理学家争论不休,如今也有不少民科为之着迷。因为测量过程的随机、不可逆、非定域性等等,有一个学派(Modal Interpretation?)认为不能用建立在经典逻辑基础上的推理系统来对这个问题进行推理,必须根据量子力学的根基重建一套与“物理本质”相符的逻辑与推理系统,就是后来成型的量子逻辑,清华图书馆有几本80年代英国人写的书,就是关于这个的,其中有一本通过一系列引理定理建立了基于完备正交模格(如果我记的不错的话)的逻辑推理系统,书最后用这个讨论了贝尔不等式。后来该方向基本无人问津了,再后来不知道是不是巧合,为了研究量子计算,应老师又建立了完备正交模格值上的自动机理论,不过仔细想想这也是很自然的,量子计算机的物理实现就和测量、非定域性这些量子力学基本问题非常紧密联系,前后两者的研究方法出现一定相似性并不偶然。

【 在 Wiltord (爱妮亿万年) 的大作中提到: 】
: 量子计算机指的工艺上用量子代替现在的半导体?计算模型还需要改么?
: 如果这样说来,量子计算机的贡献也不一定会大过计算模型吧,例如并行
: 量子计算机的优点是什么?功耗更小,集成度更高,频率更高,还是别的?
: ...................

--

※ 修改:·GaoHuo 于 Jan 27 17:03:29 修改本文·[FROM: 211.99.222.*]
※ 来源:·水木社区 newsmth.net·[FROM: 211.99.222.*]


III.
◇◇新语丝(http://www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.dropin.org)(xys-reader.org)◇◇

  说说北大王国文对潘建伟工作的评论——兼谈量子力学的定域性问题

  作者:polik

  1. 引子

  首先,王国文的文章根本是垃圾。要是一般人写的,权且当作民科难抑寂寞
发泄一番,大可一笑了之。他的文章没人理睬,可能也是出于这个原因吧。由于
署名北京大学物理学院,并非冒名,在网络上转载还颇热闹,polik就觉得有点
过意不去。诚然,北大水平与王国文属于同一级别,并无必要为捍卫北大声誉浪
费时间,北大的声誉是否大于零,本人及同道一向强烈持疑。但为公众能得到正
确的科普起见,花点时间点批一下,免得有人说学术界的人普遍缺德,见妖言惑
众而不喝止。何况这是他第二次拿这种东西来占新语丝的版面争读者眼球了。对
这种abuse自由媒体和开明版主的人发慈悲就是对老实百姓的残忍。

  更不是替潘建伟来抱不平。潘近年在国际上,而不只是国内,出了一些风头,
实惠虚名都赚了不少,除不值得同情以外,其知名度和公众人物身份使得他有接
受公众质问的义务。其次,他的东西并非如他自己/他前老板/国际物理通讯兵们
所吹的那样美好和神奇。加之潘本人大话不停,牛皮甚多,发烧友一堆,此时忠
告一下对他本人及其团队,刚入道的研究生,还有那些非替老百姓管钱不可的官
僚都有好处。但王国文这种不伦不类的文章一不符合学术界惯例(你有好的观点,
有数不清的杂志欢迎你投稿,潘在Physical Review Letters上发文章,你有异
见,PRL绝对欢迎你comment!),二是根本不着边际,徒然给人故意搅局或当托
儿的联想,增加某些专业人员对潘和前老板及其好友们的工作的进一步追捧。

  2. 王国文的文章为何是垃圾?

  一个真正有创意的观点,写成一篇正式学术文章以后,一般都会舍不得投IF
不够高的杂志,更不会轻易送到科普媒体上去"发表"。可以想像,王其实明白自
己的东西是个笑料。当然,王可能不食人间烟火,跟隐士Perelman一样,不发杂
志文章。所以,在这里权且抬举抬举他,把他的文章当成正式工作comment一下。

  王文的第一个批评,也是其主旨,就是质疑三光子纠缠态是否真的纠缠态。
理由是那些光子的态是"事后诸葛"式的重建的。这样的作法根本不是潘的原创,
至少已有10几年的历史了。虽然最初有些人对这种方法强烈反对,但对它的质疑
已经遭到了彻底的回驳。此事已经尘埃落定,绝非王文所称的"未见有人能讲清
楚它的物理机制"。Science 杂志还曾专门请人写了篇高级科普见证,详见
Science 2005, 307卷,第875-879页。简而言之,事实上,经过稍许澄清即可以
得知,传统上对干涉条纹的指认或归属与这种"事后诸葛"式的重建并无本质差异。
现在对这样的纠缠态已经司空见惯。早于潘发表的文章数以十计,这个技巧根本
不是"潘建伟研究组的工作"的核心,而且也不是潘的前老板Zeilinger提出的。
王没有了解这些基本知识,瞎批一通。

  王一方面通过否定量子力学目前容许的"非定域特征"来批评"潘建伟研究组
的工作"可能建立在脆弱的学理上,另一方面他又毫不顾忌地引入无丝毫实验证
据更为离奇的所谓"准空态"来解释现有的实验观察,其大无畏精神必令堂吉柯德
自叹弗如。退一万步,假设真的有他说的"准空态",要解释EPR关联,那也无法
摆脱超距作用,只是换成子虚乌有的"准空态"与所谓"非空态"的超距影响而已。
这会是个幽灵"潜波"加隐变量再加超距作用的三重魔怪。而且,显然,这种超距
作用会有真正的灾难性,相对论必然就此咽气,而量子力学容许的超距作用因受
随机性的保护却不产生灾难。不知道他到底要捍卫什么?不信的话,王不妨把他
的观点写成学术文章投到中国的"物理学报"或其他任何一家需要审稿的杂志,保
证退稿。

  王声称"声名狼藉的(infamous)波函数坍缩假设在量子物理中可能是完全
多余的。"完全是民科式的武断。波函数崩塌有人怀疑,解释崩塌的理论也好几
个,但绝不是声名狼藉。恰恰相反,事实是,波函数崩塌依然是量子力学解释测
量结果必不可少的假设。虽然现在对崩塌过程的细节描述上还有一些问题没有得
到完全满意的解决,但崩塌本身作为一个事实已经无人怀疑(民科和疑似民科除
外)。

  王所引用的那些质疑量子力学正统解释的人和他们的话,都是边缘人物或者
极端少数观点。不是说边缘人物都有问题,但决不是边缘人物的话就是对的。他
引用的一些人根本就是一些熟知的民科水平的大嘴巴学者。再如,他引用这些国
际民科的话说:"贝尔不等式实验检验的违反只表明经典统计法不适用于推导量子
力学的预言"以及德布罗意基金会前主席洛察克(G. Lochak)说"依我之见,贝
尔不等式的实验违反无关于所谓的'非定域性'或'非分离性'。这违反只不过表明
量子几率不是经典几率!"请问:能否给出所谓"量子概率"的定义?如何用它理解
Bell定理?再说,这些话与王推崇的"准空态"和"潜波"有何关连?

  对该领域稍有基础的人不难看出,王与潘的学术水平之落差是超距的,根本
不是一个层次。王如果真正关心量子光学或量子计算,应该先好好复习一下量子
力学,读几篇像样的文献,再作打算,而不是在读了一些国内国际的民科作品以
后就乱发议论。用一篇充满学术漏洞和常识错误的文章去评论一篇正式发表的文
章,根本就是变相替人家抬轿吆喝。例如,王把 J. A. Wheeler说成是诺贝尔奖
得主,把德布罗依的"空波"和"从体"说成是解救非定域困难的药方等等,这类小
儿科错误一犯,北大水平就原形毕露。看到这样的批评文章,我不得不怀疑作者
是志愿替潘建伟当沙袋的。

  3. 对潘及其前老板工作的评价

  刚才我查到,潘建伟因为曾把国外成果谎报成"在中国本土完成"并诡称全职
回科大等丑事被新语丝立此存照,但没有人否认他的研究成绩。而且polik认为,
潘犯那些丑事很可能是要配合科大当局急功好利到上面表功蒙钱,因此这里我不
考虑"德"这个因素,纯粹从学术角度评论。

  客观地讲,潘是个有实力的学者,甚至还是少有的国际物理新星。他的文章
之篇数,影响因子以及引用次数,绝对盖过全部中科院院士。但是,综观潘的全
部工作,主要的学术思想和指导哲学都是潘的前老板Anton Zeilinger的。潘是
一个出色的学生,理论水平和实验技术皆令人称道,对其前老板某些方面的工作
有所发扬光大。但是,把将光子纠缠用于量子计算说成是"潘建伟研究组的工作",
潘起码无法向Zeilinger交代。另外,潘与Zeilinger恐怕会就多光子纠缠的优先
权问题弄出是非,因为我看到 Zeilinger不只一次讲是他先制备出五、六光子纠
缠,而潘也做了类似的声称。

  了解此领域的人知道,Zeilinger的工作不只涉及到这里谈到的量子计算,
他更早在量子光学,非破坏测量,GHZ纠缠态等方面的工作就使其名声大噪。但
圈内对他的工作评价远远没有媒体描述的那样高,他的工作基本上就是反覆表演
和宣称"看!量子力学又被证明是对的!",虽然不少在Nature等明星杂志出现甚
至封面推荐,其教育意义远大于学术价值。靠这种工作拿诺奖,从诺奖历史看,
行情真的很不看好,只能恨诺奖既不是看IF,更不是数篇数。这里顺便指出,
Zeilinger教授学术水平不低,其公关水平也很高,对操弄媒体、宗教(如与回
教佛教"打得火热",请达赖喇嘛到实验室访问演说,参加达赖的宗教─科学对话
活动之类)、政客、以及同行来增加自己知名度非常在行。他的工作多次登上"
年度物理进展","世界物理学近50年重大成果"等吓人的学术新闻榜,与他的公
关水平不无关系。如此招摇、卖力公关以致不诸形式的科学家,在史上是绝对少
见的。当我看到他对达赖喇嘛写的书"单原子中的宇宙"推崇备至时,觉得他与那
个曾经证明亩产万斤粮、宣称人体科学是高技术平方的力学专家有同样的投机嗅
觉能力。

  潘的工作也已经几次进入当年国际物理进展新闻,虽然或多或少与
Zeilinger有关联,但对一个年轻科学家,且来自一个科技不发达的官本位封建
国家,应该说这是很了不起的。但是研究结果上新闻与真正的学术价值,尤其是
经得起时间考验的长久价值,可以说根本不是一回事。风云一时最后以昙花一现
方式草草离场的研究方向和领域在历史上数不胜数,层出不穷。物理领域最近的
例子就有混沌、分形、几何相位、高温超导理论、复杂性理论、数不清的宇宙学
理论,甚至弦论等等,其他领域如生物医学、经济学应该更多。量子计算领域只
是更糟一点,呈现了上述领域的所有病态特征而尚未显示出一点起码的成果。那
些声称是"量子线路"、"量子计算机"的东西无一不是一些古旧实验的花哨叫法而
已。冷静看一下潘的那些上新闻的成果,最后有能流传下去的吗?下面讲讲量子
计算的潜在问题和巨大困难,有助于对潘的工作和整个量子信息领域有一番整体
的审视。潘或其学生如果读到这篇文章,请相信 polik,绝对是为你们好。

  首先,虽然现在的量子力学"非定域性"相当安全,不会产生灾难,更有一大
票人甚至头面人物认定这种"非定域性 "是量子力学(或微观世界)的根本特征,
是待开发的巨大资源,但对量子力学到底是否非定域的争论还在进行之中。我们
知道,EPR的解释并不需要超距作用,纠缠态也不意味超距作用,格林函数不包
含任何类空贡献。种种迹象表明,量子力学的"非定域性"是对量子力学理解或解
释层面上的问题,是形而上的 metaphysics,对技术部分不会有影响,因此所谓
的"非定域资源"很可能是一种幻想。但Zeilinger深信超距作用的真实性,已经
影响了相当多的学者和学生,包括潘。他的这种信仰,与其说是立场坚定,更像
赌徒作风,因为理性和实证的成分很少。这无疑也给他在学术界招来怀疑的眼光
甚至否定的评论。像Cornell的物理学家David Mermin就直指Zeilinger的一些工
作"too good to be true",绝对是负面的评价。因此,非定域性是否真的可以
当作未来的计算资源值得大大怀疑。严格地讲,基于纠缠态的量子计算器的存在
性证明并未完成。一旦这个问题是否定的回答,整个基于纠缠的量子计算的学理
平台轰然崩塌,那些"年度物理进展","世界物理学近50年重大成果"等顿时灰飞
烟灭,付诸笑谈。这绝非危言耸听。

  量子计算的另一个重大难点甚至致命困难是可放大性(scalability)问题,
即能否做到实用计算要求的至少上百个量子比特而不只是少数几个量子比特,它
是计算机处理器的核心问题。这是目前所有量子计算方案共同面临的严重困难。
远远不是当年建立电子计算机时那样的可放大性问题。尽管不排除最终可能会找
到出路,但其难度非同一般,即算有解,获得解决的时间也将是非常漫长的,已
是圈内清醒人的共识。不讲清这些,只听单方面的乐观意见,很容易被误导。潘
和国际国内上一些人出于可以理解的私心,过分强调量子计算尤其是基于光子的
量子计算的优势和前景,甚至许以几年以后你就可以订购量子电脑的画饼,做了
一些误导公众,学术界和官员的宣传。例如,用Shor演算法作质因子分解15=5
×3的演示实验,早在6年多前就有人发表。潘组用光子做出此项工作,确实是不
错的进展。但稍微想一想,三光子或五光子实验已是困难重重,纠缠脆弱无比,
要做到比如说十光子纠缠此路可通?何况十光子纠缠与几百个光子纠缠完全不是
同一类型的难度。甚至有人声称已经证明,基于光子纠缠的量子计算机原则上没
有可放大性。欧美杂志或媒体对潘几件工作的夸颂,猛一看了不得,但仔细看看,
那些吹喇叭的都是些鼓吹量子计算机近在眼前的要钱激进分子,有些更是潘的国
际合作者们或Zeilinger的朋友。那些新闻背后的最主要目的是借此写申请书时
可以向各国政府索要更多的支持。从这一点看,Zeilinger风格不用担心失传。
不过,也有人说,Zeilinger及其弟子们每这么样来一次,其同行评价就降三分。

  由于Zeilinger之名气,故学生闲谈和媒体上有他可能拿诺奖的传言,但由
于上述原因,行家并不认为他有多少可能性。此外,他更早的学生和合作者中,
胜过潘或与潘可比者人数众多。因此,即算pigs fly,诺贝尔奖光顾此领域,也
断然不会落到潘的头上。刚才看到潘准备在万里长城上作量子密码实验的消息,
不禁哑然,只怕是他成也Zeilinger,败也Zeilinger。如此照搬照抄,重复
Zeilinger在多瑙河上作的公关表演,与东施效颦何异?潘或其学生如果真有志
于诺奖,不妨冷静地想想,要不要在基于光子纠缠的量子计算这一棵树上吊死?
或永远紧跟Zeilinger走遍天涯而无怨无悔?还是趁早另辟蹊径,以遂良愿呢?
有志在量子光学和量子计算领域做出重大成果者,对Zeilinger及其合作者的工
作或宣导,我也劝你还是谨慎一点为好。

  polik感谢HYC,KG,YYL,XZ的讨论和批评意见

(XYS20080127)

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Re: 评潘建伟研究组的量子计算机
由 星空浩淼 于 2008年1月28日 00:56

polik的这篇反驳文章如果就事论事,只从学术角度进行辩驳,倒是值得尊敬的。可惜文章里带有骂街的味道。我赞同他的主要观点,但是在我看来,他在这篇文章里犯了以下几个错误:
1)polik把“非局域性”直接等价于“超距作用”,在我看来这是明显错误的理解;
2)并非所有格林函数(Feynman传播子)不包含任何类空贡献,只能说场算子之间的协变对易子在类空间隔下严格为零。粒子的类空传播事实上是存在的,只是这种超光速行为由于正反粒子对称性而不产生因果悖论——正因为正反粒子对称性,才使得场算子之间的协变对易子在类空间隔下严格为零,从而一个测量行为,不能类空地影响另一个测量行为。
3)不管格林函数是否包含类空贡献,它所能反应出来的问题,跟量子力学中所谈到的非局域性特征是两码事。

Monday, January 01, 2007

 

古诗十九首之四

今日良宴会,欢乐难具陈。
弹筝奋逸响,新声妙入神。
令德唱高言,识曲听其真。
齐心同所愿,含意俱未申。
人生寄一世,奄忽若飙尘。
何不策高足,先据要路津。
无为守贫贱,坎轲长苦辛。

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