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多年以来,人们一直为有效解决计算中的难解问题而苦苦求索。目前的经典计算机面对许多问题显得渺小而无助,因此人们寻找新的计算模型和新的高效计算机的努力显得恢弘而伟大。20世纪末量子计算的提出和量子计算机模型的诞生实现了人类的这个梦想,为计算的革命吹响了号角。
量子计算是数学、量子物理与计算机科学结合的综合学科,量子计算机在理论上提供了有效解决目前经典计算机无法处理的困难问题的可行途径。研究量子计算的一个重要目的是建造可规模化、实用的量子计算设备,为科学计算和人类的生产、生活服务,然而在这个探索过程中,面临着一些来自理论和技术方面的困难。
本文重点针对可靠通用量子计算机体系结构中亟待解决的几个重要问题进行了研究,包括退相干效应影响的减弱,量子计算的纠错与避错,量子存储设备、量子运算器的体系结构模型、量子软件系统以及非完美量子设备及环境下的量子计算。在数学、量子物理和计算机科学基础之上结合诸类经过优化和改进的量子计算机模型及各种实验数据,提出了一种可实现的可靠通用量子计算机体系结构。该体系结构具有高可靠性、可容错、易规模化等优点,并利于用经典计算机控制量子计算的流程,易于构建稳定、可靠的量子程序及量子软件系统。
本文的研究成果主要有:
(1)提出了一个量子存储设备体系结构模型,与以往结构相比,该模型具有良好的可扩展性和纠错能力。在此基础上提出了一个非可靠环境下基于零退相干子空间的量子存储体系结构,使系统具有一定避错性,增强了系统的可靠性和稳定性;
(2)提出了一种新的量子存储设备内的通信方式和寻址方式,与以往量子随机存储机(QRAM)模型下的量子通信和寻址相比,效率更高、可扩展性和可靠性更强;
(3)提出了一个量子运算器体系结构模型和基于此结构的一组通用量子计算指令集,有利于量子计算效率的提升和量子纠错码的实施;
(4)结合可实现的量子计算机的体系结构和通用量子计算的流程,为量子程序设计语言的设计提供准则;
(5)提出了一个可靠量子计算机的体系结构模型,该模型在保证运算正确的前提下有助于量子计算效率的提高和降低计算的代价,并具有可扩展性;
(6)为未来在真正的规模化量子计算设备上进行可程控量子计算的实验提出建议。
量子计算使计算科学与技术进入一种新的境界,随着科学与技术的发展,上述前进道路上的障碍会被扫除,也许新的困难还会产生,但人们的努力一定会推进与量子计算相关的多个学科的综合发展。