量子計算

量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處於多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比於經典信息處理具有更大潛力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進位數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四種狀態的疊加狀態。隨著量子比特數目的增加，對於n個量子比特而言，量子信息可以處於2種可能狀態的疊加，配合量子力學演化的并行性，可以展現比傳統計算機更快的處理速度。

量子的重疊與牽連原理產生了巨大的計算能力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進位數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四個數，因為每一個量子比特可表示兩個值。如果有更多量子比特的話，計算能力就呈指數級提高。

量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規計算機中，信息單元用二進位的1個位來表示，它不是處於“0”態就是處於“1”態.在二進位量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處於“0”態或“1”態外，還可處於疊加態（super posed state).疊加態是“0”態和“1”態的任意線性疊加，它既可以是“0”態又可以是“1”態，“0”態和“1”態各以一定的概率同時存在.通過測量或與其它物體發生相互作用而呈現出“0”態或“1”態。任何兩態的量子系統都可用來實現量子位，例如氫原子中的電子的基態（gro und state）和第1激發態（f irstex cited state)、質子自旋在任意方向的分量和分量、圓偏振光的左旋和右旋等。

一個量子系統包含若干粒子，這些粒子按照量子力學的規律運動，稱此系統處於態空間的某種量子態。態空間由多個本徵態（eigenstate)（即基本的量子態）構成，基本量子態簡稱基本態（basic state）或基矢（basic vector).態空間可用Hilbert空間（線性復向量空間）來表述，即Hilbert空間可以表述量子系統的各種可能的量子態。為了便於表示和運算，Dirac提出用符號來表示量子態，是一個列向量，稱為ket；它的共軛轉置（conjugate t ranspose)用表示，是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態可用二維Hilbert空間（即二維復向量空間）的單位向量來描述，其簡化的示意圖如右圖所示.

把量子考慮成磁場中的電子。電子的旋轉可能與磁場一致，稱為上旋轉狀態，或者與磁場相反，稱為下旋狀態。通過提供脈衝能量使電子旋轉從一種狀態變為兩種狀態，例如從激光。假設用一單位激光能量。但是假設僅用半單位的激光能量並完全消除外界對微粒的影響將會怎樣呢？根據量子理論，微粒將進入重疊狀態，即同時處於兩種狀態下，每一個量子比特呈現重疊狀態0和1。因此量子計算機的計算數是2的n次方，n是量子比特的位數。量子計算機如果有500個量子比特，就在每一步作次運算。這是一個可怕的數，比地球上已知的原子數還要多（這是真正的并行處理，當今的經典計算機，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。但是這些微粒如何相互作用呢？他們通過量子牽連來做。

在某點上相互作用的微粒（像光子、電子）之間具有一種關係，能夠成對的糾纏在一起，這一過程被稱為相關性。知道了糾纏在一起的一個微粒的狀態是上或下的話，它同伴的旋轉是在其相反的方向上。令人驚奇的是，由於層疊現象，被測定的微粒沒有單獨的旋轉方向，而是同時成對的處於上旋和下旋狀態。被測微粒的旋轉狀態由測量時間和與其相關的微粒決定，其相關微粒同時處於相反的旋轉方向。這一真實的現象（愛因斯坦認為兩個粒子自從分開的那一瞬間就決定了各自的自旋方向，他試圖通過EPR佯謬來質疑量子論，但驗證貝爾不等式的實驗證明愛因斯坦錯了），至今沒有任何恰當的理論可以解釋，只是簡單的被接受著。量子牽連就是無論來自同一系統的粒子之間有多遠的距離都能同時相互作用（不受光速限制）。無論相互作用的微粒之間相距多遠，他們都將相互纏在一起直到被分開。2014年初，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）Kavli Institute of Nanoscience量子計算團隊在實驗室中實現了這種信息的“0延遲”傳遞，信息傳遞距離為3米。

量子計算(quantum computation)的概念最早由IBM的科學家R.Landauer及C.Bennett於70年代提出。他們主要探討的是計算過程中諸如自由能（free energy）、信息（informations）與可逆性（reversibility）之間的關係。80年代初期，阿崗國家實驗室的P.Benioff首先提出二能階的量子系統可以用來模擬數字計算；稍後費因曼也對這個問題產生興趣而著手研究，並在1981年於麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的願景。1985年，牛津大學的D.Deutsch提出量子圖靈機（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限於探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展演演算法的階段。

1994年，貝爾實驗室的應用數學家P.Shor指出，相對於傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別於傳統計演演算法則的量子演演算法（quantum algorithm）確實有其實用性，絕非科學家口袋中的戲法。自此之後，新的量子演演算法陸續的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執行這些量子演演算法。許多量子系統都曾被點名做為量子計算器的基礎架構，例如光子的偏振（photon polarization）、空腔量子電動力學(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。以目前的技術來看，這其中以離子阱與核磁共振最具可行性。事實上，核磁共振已經在這場競賽中先馳得點：以I.Chuang為首的IBM研究團隊在2002年的春天，成功地在一個人工合成的分子中（內含7個量子位）利用NMR完成的因子分解（factorization)

2019年8月，中國量子計算研究獲重要進展：科學家領銜實現高性能單光子源。中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉與陸朝陽、霍永恆等人領銜，和多位國內及德國、丹麥學者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬頻兩種微腔上成功實現了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算機超越經典計算機奠定了重要的科學基礎。國際權威學術期刊《自然·光子學》發表了該成果，評價其“解決了一個長期存在的挑戰”。 

2021年10月，中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展，使中國成為世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。

量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的準確性有困難。

世界上第一台商用量子計算機

加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用實用型量子計算機“Orion”（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。

時隔四年之後，D-Wave One終於脫胎換骨、正式登場。它採用了128-qubit（量子比特）的處理器，四倍於之前的原型機，理論運算速度已經遠遠超越現有任何超級電子計算機。另外，D-wave公司將會在2013年1月將其升級至512量子比特。不過呢，也別太興奮，這個大傢伙現在還只能處理經過優化的特定任務，通用任務方面還遠不是傳統硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學習。另外，為儘可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導狀態下的鈮產生qubit，D-Wave的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK）。最後就是價格，2011年，NASA和Google分別以約一千萬美元購置了一台512位qubit的D-Wave量子計算機。這絕對是天價中的天價了，不過也是新技術開端的必然，就像當初的第一台電子計算機ENIAC造價就有40萬美元（二十世紀四十年代的40萬美元）。

中科大首次研製出非局域量子模擬器

中國科學技術大學的量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組首次研製出非局域量子模擬器，並且模擬了宇稱—時間（Parity-time, PT）世界中的超光速現象。

這一實驗充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機，這一概念最早由費曼於1981年提出。費曼認為自然界本質上是遵循量子力學的，只有用遵循量子力學的裝置，才能更好地模擬它，這個力學裝置就是量子模擬器。量子模擬器研究中，人們更多關注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數越多，它的運算能力就越強。 

華為首次曝光量子計算成果

2018年10月12日，華為公布了在量子計算領域的最新進展：量子計算模擬器HiQ雲服務平台問世，平台包括HiQ量子計算模擬器與基於模擬器開發的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎研究層面邁出的第一步。 

百度推出百度量子平台

2020年9月15日，“百度世界2020”大會在線上召開，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯發布了百度量子平台，展示了百度用量脈+量槳+量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的願景。他介紹，“百度全新發布國內首個雲原生量子計算平台量易伏，並全面升級量子脈衝雲計算服務系統量脈和量子機器學習開發工具集量槳，通過構建以百度量子平台為核心的量子生態，開啟量子時代的大門。”百度量子平台提供了連接頂層解決方案和底層硬體基礎所需的大量軟體工具以及介面，百度希望這一平台扮演量子計算時代操作系統的角色，開發者和合作夥伴可以通過這一平台實現量子計算對行業的賦能。

2016年歐盟宣布啟動11億美元的“量子旗艦”計劃；德國於2019年8月宣布了6.5億歐元的國家量子計劃；中美兩國也在量子科學和技術上投入數十億美元。這場競賽旨在建造出在某些任務上的表現優於傳統計算機的量子計算機。2019年10月，谷歌宣布一款執行特定計算任務的量子處理器已實現這種量子霸權。

2019年12月6日，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫於索契舉行的技術論壇上提出國家量子行動計劃，擬5年內投資約7.9億美元，打造一台實用的量子計算機，並希望在實用量子技術領域趕上其他國家。