量子計算機

量子計算機，簡單地說，它是一種可以實現量子計算的機器，是一種通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算，處理和儲存信息能力的系統。它以量子態為記憶單元和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，在量子計算機中其硬體的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。量子計算機是一個物理系統，它能存儲和處理關於量子力學變數的信息。

如同傳統計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分，其基本單元為硅晶片一樣，量子計算機也有著自己的基本單位——昆比特（qubit）。昆比特又稱量子比特，它通過量子的兩態的量子力學體系來表示0或1。比如光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向，原子中量子處在的兩個不同能級，或任何量子系統的空間模式等。量子計算的原理就是將量子力學系統中量子態進行演化結果。

量子計算機和許多計算機一樣都是由許多硬體和軟體組成的，軟體方面包括量子演演算法、量子編碼等，在硬體方面包括量子晶體管、量子儲存器、量子效應器等。

量子晶體管就是通過電子高速運動來突破物理的能量界限，從而實現晶體管的開關作用，這種晶體管控制開關的速度很快，晶體管比起普通的晶元運算能力強很多，而且對使用的環境條件適應能力很強，所以在未來的發展中，晶體管是量子計算機不可缺少的一部分。量子儲存器是一種儲存信息效率很高的儲存器，它能夠在非常短時間裡對任何計算信息進行賦值，是量子計算機不可缺少的組成部分，也是量子計算機最重要的部分之一。量子計算機的效應器就是一個大型的控制系統，能夠控制各部件的運行。這些組成在量子計算機的發展中佔領著主要的地位，發揮著重要的運用。

量子計算機是一種基於量子理論而工作的計算機。追根溯源，是對可逆機的不斷探索促進了量子計算機的發展。量子計算機裝置遵循量子計算的基本理論，處理和計算的是量子信息，運行的是量子演演算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論。

1、量子比特

經典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態的物理系統，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態│0>和│1>代替經典比特狀態0和1。量子比特相較於比特來說，有著獨一無二的存在特點，它以兩個邏輯態的疊加態的形式存在，這表示的是兩個狀態是0和1的相應量子態疊加。

2、態疊加原理

現代量子計算機模型的核心技術便是態疊加原理，屬於量子力學的一個基本原理。一個體系中，每一種可能的運動方式就被稱作態。在微觀體系中，量子的運動狀態無法確定，呈現統計性，與宏觀體系確定的運動狀態相反。量子態就是微觀體系的態。

3、量子糾纏

量子糾纏：當兩個粒子互相糾纏時，一個粒子的行為會影響另一個粒子的狀態，此現象與距離無關，理論上即使相隔足夠遠，量子糾纏現象依舊能被檢測到。因此，當兩粒子中的一個粒子狀態發生變化，即此粒子被操作時，另一個粒子的狀態也會相應地隨之改變。

4、量子并行原理

量子并行計算是量子計算機能夠超越經典計算機的最引人注目的先進技術。量子計算機以指數形式儲存數字，通過將量子位增至300個量子位就能儲存比宇宙中所有原子還多的數字，並能同時進行運算。函數計算不通過經典循環方法，可直接通過幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實現可逆計算。

20世紀80年代初期，Benioff首先提出了量子計算的思想，他設計一台可執行的、有經典類比的量子Turing機——量子計算機的雛形。

1982年，Feynman發展了Benioff的設想，提出量子計算機可以模擬其他量子系統。為了模擬模擬量子力學系統，Feynman提出了按照量子力學規律工作計算機的概念，這被認為是最早量子計算機的思想。

1985年，牛津大學的David Deutsch在發表的論文中，證明了任何物理過程原則上都能很好地被量子計算機模擬，並提出基於量子干涉的計算機模擬即“量子邏輯門”這一新概念，並指出量子計算機可以通用化、量子計算錯誤的產生和糾正等問題。由Zurek作了深入的分析和研究。但到了20世紀80年代中期，這一研究領域由於若干原因被冷落了。首先，因為當時所有的量子計算機模型都是把量子計算機看成是一個不與外界環境發生作用的孤立系統，而不是實際模型。其次，存在許多不利於實現量子計算機的制約因素，如Landauer指出的去相干、熱雜訊等等。另外，量子計算機可能易出錯，而且不易糾錯。最後，還不清楚量子計算機解決數學問題是否比經典計算快。

1994年，AT&T公司的Perer Shor博士發現了因子分解的有效量子演演算法。1996年，S.Loyd證明了Feyrman的猜想，他指出模擬量子系統的演化將成為量子計算機的一個重要用途，量子計算機可以建立在量子圖靈機的基礎上。從此，隨著計算機科學和物理學間跨學科研究的突飛猛進，使得量子計算的理論和實驗研究蓬勃發展。使得量子計算機的發展開始進入新的時代，各國政府和各大公司也紛紛制定了針對量子計算機的一系列研究開發計劃。

首先，美國的高級研究計劃局先後於2002年12和2004年4月制定了一個名為“量子信息科學和技術發展規劃”的研究計劃的1.0版以及2.0版，該計劃詳細介紹了美國發展量子計算的主要步驟和時間表，該計劃中美國將爭取在2007年研製成10個物理量子位的計算機，到2012年研製成50個物理量子位的計算機。美國陸軍也計劃到2020年在武器上裝備量子計算機。

歐洲在量子計算及量子加密方面也作了積極的研究開發。已經完成了第五個框架計劃中對不同量子系統（如原子、離子和諧振）的離散和糾纏的研究以及對量子演演算法及信息處理的研究。同時，在第六個框架計劃中，著重進行研究量子演演算法和加密技術，並預計到2008年研製成功高可靠、遠距離量子數據加密技術。

日本於2000年10月開始為期5年的量子計算與信息計劃，重點研究量子計算和量子通訊的複雜性、設計新的量子演演算法、開發健壯的量子電路、找出量子自控的有用特性以及開發量子計算模擬器。

2007年，加拿大DWave公司成功研製出一台具有16昆比特的“獵戶星座”量子計算機，並於2008年2月13日和2月15日分別在美國加州和加拿大溫哥華展示他們的量子計算機。

2009年11月15日，美國國家標準技術研究院研製出可處理兩個昆比特數據的量子計算機。

全球第一家量子計算公司D-Wave於2015年6月22日宣布其突破了1000量子位的障礙、開發出了一種新的處理器，其量子位為上一代D-Wave處理器的兩倍左右，並遠超DWave或其他任何同行開發的產品的量子位。

2017年3月6日，IBM宣布將於年內推出全球首個商業“通用”量子計算服務IBM。IBM表示，此服務配備有直接通過網際網路訪問的能力，在藥品開發以及各項科學研究上有著變革性的推動作用，已開始徵集消費用戶。除了IBM，其他公司還有英特爾、谷歌以及微軟等，也在實用量子計算機領域進行探索。

2017年5月3日，中國科學院潘建偉團隊構建的光量子計算機實驗樣機計算能力已超越早期計算機。此外，中國科研團隊完成了10個超導量子比特的操縱，成功打破了目前世界上最大位數的超導量子比特的糾纏和完整的測量的記錄。

2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學演演算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就” 。

2021年7月9日，運行256個量子比特可編程量子模擬器面世。

2021年7月，中國科學院物理研究所自主研發的無液氦稀釋製冷機實現10mK以下極低溫，標誌著我國在高端極低溫儀器研製上取得了突破性的進展。

1、量子消相干

量子計算的相干性是量子并行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相干性極易受到量子糾纏的干擾，導致量子相干性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

2、量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介於此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

3、量子并行計算

量子計算機獨特的并行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其并行計算不僅在存儲容量上遠超越了後者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子并行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在複製的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現複製。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及複製功能。

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力，對於目前多變的信息，能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息。量子信息的處理先需要對量子計算機進行儲存處理，之後再對所給的信息進行量子分析。運用這種方式能準確預測天氣狀況，目前計算機預測的天氣狀況的準確率達75%，但是運用量子計算機進行預測，準確率能進一步上升，更加方便人們的出行。

目前的計算機通常會受到病毒的攻擊，直接導致電腦癱瘓，還會導致個人信息被竊取，但是量子計算機由於具有不可克隆的量子原理這些問題不會存在，在用戶使用量子計算機時能夠放心地上網，不用害怕個人信息泄露。另一方面，量子計算機擁有強大的計算能力，能夠同時分析大量不同的數據，所以在金融方面能夠準確分析金融走勢，在避免金融危機方面起到很大的作用；在生物化學的研究方面也能夠發揮很大的作用，可以模擬新的藥物的成分，更加精確地研製藥物和化學用品，這樣就能夠保證藥物的成本和藥物的藥性。

量子計算機理論上具有模擬任意自然系統的能力，同時也是發展人工智慧的關鍵。由於量子計算機在并行運算上的強大能力，使它有能力快速完成經典計算機無法完成的計算。這種優勢在加密和破譯等領域有著巨大的應用。

（1）天氣預報：如果我們使用量子計算機在同一時間對於所有的信息進行分析，並得出結果，那麼我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經濟損失。

（2）藥物研製：量子計算機對於研製新的藥物也有著極大的優勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，並且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發明新型藥物的速度，並且能夠更個性化的對於藥理進行分析。

（3）交通調度：量子計算機可以根據現有的交通狀況預測交通狀況，完成深度的分析，進行交通調度和優化。

（4）保密通信：不僅僅是對於我們生活相近的方面，量子計算機對於加密通信由於其不可克隆原理，將會使得入侵者不能再不被發現的情況下進行破譯和竊聽，這是量子計算機本身的性質決定的。

2020年6月18日，中國科學院宣布，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要進展——在理論上提出並實驗實現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中首次實現了1250對原子高保真度糾纏態的同步製備，為基於超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。這一成果19日在線發表於學術期刊《科學》上。

2020年12月3日，中國量子計算原型機“九章”問世，實現算力全球領先，相關論文於2020年12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。專家表示，經測試該操作系統能數倍提升現有量子計算機的運行效率。

量子計算機是國際熱點研究領域，目前全球範圍內可供使用的量子計算機僅有約50台。在量子計算資源稀缺的情況下，如何高效穩定的發揮算力，成為量子計算髮展的新難題。參考經典計算機的思路，操作系統成為有效管理、利用量子計算資源的關鍵技術。

2021年3月，霍尼韋爾宣布其量子計算機H1型系統實現了512量子體積，是目前為止量子體積最大的商用量子計算機。這是霍尼韋爾9個月來第3次創造量子體積紀錄。

2021年6月15日，由IBM公司和德國弗勞恩霍夫協會合作架設的德國境內首台量子計算機在德國西南部巴符州埃寧根正式投入運行。

2021年7月27日，日本東京大學與日本IBM宣布，商用量子計算機已開始投入使用，這在日本國內屬於首次。由豐田等12家大型企業加入的產學協議會將成為使用主體，將為了用於材料開發和金融領域而展開研究。作為新一代高速計算機的量子計算機將左右未來的產業競爭力，日本企業將共同摸索儘快活用。