Page 179 - 当代控制理论及应用技术概论

第五章 量子控制研究

量子通信网络有三个功能层面：量子通信网络管理层、量子通信控制层和
传输信道层。由量子通信控制层进行呼叫连接处理、信道资源管理和建立路由，
进而控制光纤通道建立端到端量子信道，管理层负责资源和链路等的管理，控制
层和管理层的功能由经典通信链路完成。
（二）量子计算技术

1. 量子计算技术原理
量子计算是以量子力学原理为基础，用二能级系统作为信息处理单元（量
子比特，qubit），通过对量子态的调控实现信息输入、信息处理及信息提取的并

行计算方式。其核心在于以量子态来编码信息，优势源于量子相干性引起的量子
并行。在经典计算中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，
在量子计算中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的
是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态
上。从原理上讲，经典计算是基于经典比特的非 0 即 1 的确定特征，对输入信号

序列按一定算法进行变换（逻辑门操作）的物理过程。而量子计算则是基于量子
比特的 |0> 和 |1> 的相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号，根据量
子的算法要求，进行量子逻辑门操作的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得

出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。量子计算机不仅能克
服特征尺寸减少引起的热耗效应和量子效应对现有计算机进一步发展的制约，解
决经典计算机制造中面临的摩尔定律失效问题，而且能够突破经典计算极限，满
足计算速度不断提高的需求，将成为下一代计算机发展重要方向。
量子计算的基本理论模型已经得到实验验证，国内外的研究人员正致力于集

成更多量子位，尽可能长时间的保持其量子特性，以进行更多的量子逻辑门操作。
2010 年，加拿大 D-wave 公司宣布研制成 128 个量子比特的超导绝热量子计算机。
2011 年，奥地利因斯布鲁克大学利用离子阱实现了 6 个量子位，并进行了数百

个量子逻辑运算。此装置实际上已经可以看做可实现特定功能的专用量子计算机。
2012 年，IBM 采用三维合金波导谐振腔，使内置的超导量子位将量子态保持了
100 微秒，理论上可以完成数百个量子逻辑门操作，成功率达到 95% 以上，展示
了超导系统应用于量子计算的巨大潜力。
传统计算机的算法是基于逻辑门和布尔运算的，而量子计算机则是基于量

子门和量子态的叠加态和纠缠态。其中最有名的算法是 Shor 算法，它可以用来

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