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#《量子信息与量子计算》文字版
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现代信息技术的核心是基于半导体材料的芯片技术。但是，单个晶体管的尺寸即将达到原子尺度，这就导致传统的半导体器件中的量子效应将不可回避。因此，实现对单量子体系的操控，开发具有特定功能的量子器件是我们目前能够突破摩尔定律瓶颈的唯一途径。信息科学与量子理论相结合，诞生了一门蓬勃发展的交叉学科---量子信息科学。量子计算机是基于量子力学原理工作的，具有经典计算机无法比拟的计算能力，它的实现将引起信息技术新的革命，具有重要的学术价值与应用前景。摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的[1]。其内容几经修改，变为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。也就是说，相同价格电脑的性能每隔18个月将翻两倍以上。这一定律说明了信息技术的高速发展。摩尔定律在发现后的50多年里产生了巨大影响。美国惠普实验室研究人员斯坦·威廉姆斯说，到2010年左右，半导体晶体管可能出现问题，芯片厂商必须考虑替代产品。英特尔公司技术战略部主任保罗·加吉尼则认为，2015年左右，部分采用了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产，5年内取代半导体晶体管。还有一些专家指出，半导体晶体管可以继续发展，直到其尺寸的极限——4到6纳米之间，那可能是2023年的事情。制约因素之一技术：从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米量级时，材料的物理、化学性能将发生质的变化，使现行的半导体器件不能正常工作。
制约因素之二经济：从经济的角度看， 目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1 微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。后摩尔时代出路：第一，修正现有的芯片制造产业。技术方面，一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时，量子力学的适用范围，因此为电路元件的尺寸设置了极限！可能的解决方式是变革现在的硅晶管为量子开关，如量子点、单电子晶体管、分子开关等，这需要需要考虑量子修正。经济因素的限制，技术进步可能会克服。第二，变革信息产业技术。由于，半导体晶体管发展到纳米量级时，这一尺寸将是量子力学的适用范围，材料的物理、化学性能将发生质的变化。因此，可以用量子力学的幺正演化构造逻辑门，即量子计算。Landauer原理说明，每删除1比特的信息至少需要耗散KBln2大小的能量到环境中去，产生热效应。另外，这一数值只是能量耗散的下限，现阶段实际的能量耗散要高出好几个数量级！因此，对于不可逆的信息处理过程，环境的熵是增加的。随着摩尔定律的发展，芯片的提高集成度提高、计算能力增强的同时也增大能量耗散。随着相关技术的进步，能量耗散值可能减少。但是，由于能量耗散有理论的下限，芯片集成会有理论的上限！
为了避免热效应，我们希望信息处理过程中无能量耗散，这就要求没有信息删除，对应的计算模型为可逆计算。然而，经典计算中是否可以实现可逆计算，目前尚未有定论。同时，量子计算中，逻辑门的构造由量子力学的幺正演化实现，幺正演化是可逆的，原则上是一种可逆计算。（强）Church-图灵命题表明，多项式的差异的情况下，任意计算模型与概率图灵机是等价的；不能在概率图灵机上以多项式的资源解决的问题，在任何机器上都不会有效的解决！也就是说经典计算中，有些类问题是不能被有效解决的。比如：（1）1982年，Feynman论证了用经典计算机模拟量子力学体系时，随输入（粒子数、自由度）增大其计算资源（时间、空间）消耗会指数增加。例如，描述n=266的量子态，需要经典计算机中记录独立数字的个数大致相当于宇宙中总的粒子数目，Feynman由此推测，按量子力学规律工作的计算机可能避免这一困难。
（2）大数分解问题。用高性能的个人电脑将664位的数分解为两个质数的乘积需要一千年的时间，因此它不是一个可以处理的问题。就是因为这一问题的困难性，大数分解是现代密码体系的数学基础。公钥密码系统的安全性主要取决于构造算法所依赖的数学问题，它要求加密函数具有单向性(即求逆的困难性) ，因而密码分析者要从公开密钥得到秘密密钥对于目前的计算能力来说是不可行的。然而，1994年，Shor算法横空出世，在相同位数的量子计算上，1分钟就可以解决上述问题！
1982年，Feynman 第一次尝试用量子力学原理构造计算机[2]。众所周知，在量子体系中，计算的复杂度是随体系自由度的增加呈指数增长的。因此，使用现有的经典计算机模拟量子系统是不可能的。1985年，Deutsch 认识到[3] Feynman的想法可以通过可以模拟任意物理过程的完备的量子计算来实现。虽然 Deutsch算法很少有实际的用途， 它通常被认为是第一个比任何经典算法更高效的量子算法。此后, 量子计算机的实际应用引起了人们的广泛兴趣，其中两个最优革命性的量子算法是 Shor 和 Grover算法[4,5]。随着过去几十年的新技术的进步，人们心中可以在单量子水平上操控量子体系，这极大地推动了量子计算的发展[6]。特别是近二十年来, 量子计算机硬件体系的理论和实验研究都取得了巨大的进展：许多不同体系中演示各种量子信息处理任务的实验取得了成功。因此，我们现在有理由相信量子计算机将会是解决经典计算机无法胜任的计算难题的一种可能的强大的工具。 [1] G. Moore, Cramming More Components Onto Integrated Circuits (Electronics Magazine, 1965); G. Moore, Progress in Digital Integrated Electronics, IEEE, IEDM Tech Digest p. 11-13 (1975).[2] R. P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).[3] D. Deutsch, Proc. Roy. Soc. Lond. A 400, 97 (1985); D. Deutsch and R. Jozsa, Proc. Roy. Soc. Lond. A 439, 553 (1992).[4] P. W. Shor, Phys. Rev. Lett. 77, 3260 (1996).[5] L. K. Grover, Phys. Rev. Lett. 80, 4329 (1998).[6] M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, 2000).