量子計(jì)算機(jī) 又名：quantumcomputer

　　理論背景

　　有趣的量子理論

　　量子論的一些基本論點(diǎn)顯得并不“玄乎”，但它的推論顯得很“玄”。我們假設(shè)一個(gè)“量子”距離也就是最小距離的兩個(gè)端點(diǎn)A和B。按照量子論，物體從A不經(jīng)過(guò)A和B中的任何一個(gè)點(diǎn)就能直接到達(dá)B。換句話說(shuō)，物體在A點(diǎn)突然消失，與此同時(shí)在B點(diǎn)出現(xiàn)。除了神話，你無(wú)法在現(xiàn)實(shí)的宏觀世界找到一個(gè)這樣的例子。量子論把人們?cè)诤暧^世界里建立起來(lái)的“常識(shí)”和“直覺”打了個(gè)七零八落。

　　薛定諤之貓是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：這只貓十分可憐，它被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動(dòng)電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無(wú)疑。這個(gè)殘忍的裝置由奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤所設(shè)計(jì)，所以此貓便叫做薛定諤貓。量子理論認(rèn)為：如果沒有揭開蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道貓是死是活，它將永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)，這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重相違。

　　瑞典皇家科學(xué)院2012年10月9日宣布，將2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)物理學(xué)家塞爾日·阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭，以表彰他們?cè)诹孔游锢韺W(xué)方面的卓越研究。他說(shuō)，這兩位物理學(xué)家用突破性的實(shí)驗(yàn)方法使單個(gè)粒子動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可被測(cè)量和操作。他們獨(dú)立發(fā)明并優(yōu)化了測(cè)量與操作單個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)方法，而實(shí)驗(yàn)中還能保持單個(gè)粒子的量子物理性質(zhì)，這一物理學(xué)研究的突破在之前是不可想象的。

　　研究歷史

　　量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德·費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來(lái)的。可他發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。

　　量子計(jì)算機(jī)，或推而廣之——量子資訊科學(xué)，在1980年代多處于理論推導(dǎo)等紙上談兵狀態(tài)。一直到1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法[3] 后，因其對(duì)通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法破解而構(gòu)成威脅后，量子計(jì)算機(jī)變成了熱門的話題。除了理論之外，也有不少學(xué)者著力于利用各種量子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

　　20世紀(jì)60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來(lái)源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作。那么，是否計(jì)算過(guò)程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)都可以找到一種對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)，而且不影響運(yùn)算能力。既然計(jì)算機(jī)中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學(xué)中，它就可以用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。早期量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上是用量子力學(xué)語(yǔ)言描述的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，并沒有用到量子力學(xué)的本質(zhì)特性，如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，基本信息單位為比特，運(yùn)算對(duì)象是各種比特序列。與此類似，在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，而且還將帶來(lái)許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果。因此，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來(lái)，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。除了進(jìn)行并行計(jì)算外，量子計(jì)算機(jī)的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的。

　　1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計(jì)算機(jī)能完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)榱孔硬幌?span id="dhki5g4" class='hrefStyle'>半導(dǎo)體只能記錄0與1，可以同時(shí)表示多種狀態(tài)。如果把半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)比成單一樂器，量子計(jì)算機(jī)就像交響樂團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，一個(gè)40位元的量子計(jì)算機(jī)，就能解開1024位元的電子計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問題。

　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”。而關(guān)于“基于量子力學(xué)的信息處理”的最早文章則是由亞歷山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬·印戈登（1976）和尤里·馬尼（1980）年發(fā)表。史蒂芬·威斯納的文章發(fā)表于1983年[8]。1980年代一系列的研究使得量子計(jì)算機(jī)的理論變得豐富起來(lái)。1982年，理查德·費(fèi)曼在一個(gè)著名的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法。緊接著1985年大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型 [9]。人們研究量子計(jì)算機(jī)最初很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。當(dāng)使用計(jì)算機(jī)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g而數(shù)據(jù)量也變得龐大。一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生。

　　算法理論

　　經(jīng)典算法

　　量子計(jì)算機(jī)在1980年代多處于理論推導(dǎo)狀態(tài)。1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法后，因其對(duì)于通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法可以破解而構(gòu)成威脅之后，量子計(jì)算機(jī)變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學(xué)者著力于利用各種量子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

　　半導(dǎo)體靠控制集成電路來(lái)記錄及運(yùn)算信息，量子計(jì)算機(jī)則希望控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運(yùn)算信息。 1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計(jì)算機(jī)能做出離散對(duì)數(shù)運(yùn)算[11]，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。因?yàn)榱孔硬幌癜雽?dǎo)體只能記錄0與1，可以同時(shí)表示多種狀態(tài)。如果把半導(dǎo)體比成單一樂器，量子計(jì)算機(jī)就像交響樂團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，一個(gè)40比特的量子計(jì)算機(jī)，就能在很短時(shí)間內(nèi)解開1024位計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問題。

　　通用計(jì)算

　　量子計(jì)算機(jī)，顧名思義，就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。不同于電子計(jì)算機(jī)（或稱傳統(tǒng)電腦），量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

　　要說(shuō)清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算機(jī)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　1.其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即|0110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加態(tài)：C1|0110110 >+ C2|1001001>。

　　2.經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個(gè)性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換（或計(jì)算）只對(duì)應(yīng)一類特殊集。

　　相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個(gè)限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來(lái)描述，如二能級(jí)系統(tǒng)（稱為量子比特（qubits）），量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。

　　1.量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；

　　2量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。

　　　由此可見，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，量子并行計(jì)算。

　　無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實(shí)際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相干性的衰減，即消相干（也稱“退相干”）。因此，要使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯(cuò)碼、量子避錯(cuò)碼和量子防錯(cuò)碼。量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典糾錯(cuò)碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不高。

　　正如大多數(shù)人所了解的，量子計(jì)算機(jī)在密碼破解上有著巨大潛力。當(dāng)今主流的非對(duì)稱（公鑰）加密算法，如RSA加密算法，大多數(shù)都是基于于大整數(shù)的因式分解或者有限域上的離散指數(shù)的計(jì)算這兩個(gè)數(shù)學(xué)難題。他們的破解難度也就依賴于解決這些問題的效率。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，要求解這兩個(gè)數(shù)學(xué)難題，花費(fèi)時(shí)間為指數(shù)時(shí)間（即破解時(shí)間隨著公鑰長(zhǎng)度的增長(zhǎng)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)），這在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)法接受的。而為量子計(jì)算機(jī)量身定做的秀爾算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)（即破解時(shí)間隨著公鑰長(zhǎng)度的增長(zhǎng)以k次方的速度增長(zhǎng)，其中k為與公鑰長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的常數(shù)）進(jìn)行整數(shù)因式分解或者離散對(duì)數(shù)計(jì)算，從而為RSA、離散對(duì)數(shù)加密算法的破解提供可能。但其它不是基于這兩個(gè)數(shù)學(xué)問題的公鑰加密算法，比如橢圓曲線加密算法，量子計(jì)算機(jī)還無(wú)法進(jìn)行有效破解 。

　　針對(duì)對(duì)稱（私鑰）加密，如AES加密算法，只能進(jìn)行暴力破解，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的破解時(shí)間為指數(shù)時(shí)間，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是 ，其中 為密鑰的長(zhǎng)度。而量子計(jì)算機(jī)可以利用Grover算法進(jìn)行更優(yōu)化的暴力破解，其效率為 ，也就是說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)暴力破解AES-256加密的效率跟傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)暴力破解AES-128是一樣的。

　　更廣泛而言，Grover算法是一種量子數(shù)據(jù)庫(kù)搜索算法，相比傳統(tǒng)的算法，達(dá)到同樣的效果，它的請(qǐng)求次數(shù)要少得多。對(duì)稱加密算法的暴力破解僅僅是Grover算法的其中一個(gè)應(yīng)用。

　　在利用EPR對(duì)進(jìn)行量子通訊的實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對(duì)的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實(shí)現(xiàn)的量子通訊才是真正不會(huì)被破解的保密通訊。

　　此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來(lái)做量子系統(tǒng)的模擬，人們一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī)，就無(wú)需求解薛定諤方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上做數(shù)值計(jì)算，便可精確地研究量子體系的特征。

　　研發(fā)情況

　　發(fā)展趨勢(shì)

　　用原子實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)只有5個(gè)q-bit，放在一個(gè)試管中而且配備有龐大的外圍設(shè)備，只能做1+1=2的簡(jiǎn)單運(yùn)算，正如Bennett教授所說(shuō)，“現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具，真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”，我國(guó)量子信息專家中國(guó)科技大學(xué)的郭光燦教授則宣稱，他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室將在5年之內(nèi)研制出實(shí)用化的量子密碼，來(lái)服務(wù)于社會(huì)！科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程充滿了偶然和未知，就算是物理學(xué)泰斗愛因斯坦也決不會(huì)想到，為了批判量子力學(xué)而用他的聰明大腦假想出來(lái)的EPR態(tài)，在六十多年后不僅被證明是存在的，而且還被用來(lái)做量子計(jì)算機(jī)。在量子的狀態(tài)下不需要任何計(jì)算過(guò)程，計(jì)算時(shí)間，量子進(jìn)行空間跳躍?？梢哉f(shuō)量子芯片，是終極的芯片

　　外國(guó)進(jìn)展

　　1920年，奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國(guó)人海森伯格和狄拉克，共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來(lái)的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)。在它的基礎(chǔ)上人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的技術(shù)，就是量子計(jì)算機(jī)。

　　量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出，后經(jīng)過(guò)很多年的研究這一技術(shù)已初步見成效。

　　美國(guó)的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)院、IBM、和斯坦福大學(xué)、武漢物理教學(xué)所、清華大學(xué)四個(gè)研究組已實(shí)現(xiàn)7個(gè)量子比特量子算法演示。

　　2001年，科學(xué)家在具有15個(gè)量子位的核磁共振量子計(jì)算機(jī)上成功利用秀爾算法對(duì)15進(jìn)行因式分解。

　　2005年，美國(guó)密歇根大學(xué)的科學(xué)家使用半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)離子囚籠（ion trap）。

　　2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，但其作用僅限于解決一些最優(yōu)化問題，與科學(xué)界公認(rèn)的能運(yùn)行各種量子算法的量子計(jì)算機(jī)仍有較大區(qū)別。

　　2009年，耶魯大學(xué)的科學(xué)家制造了首個(gè)固態(tài)量子處理器。

　　2009年11月15日，世界首臺(tái)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生。同年，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的科學(xué)家研制出基于量子光學(xué)的量子計(jì)算機(jī)芯片，可運(yùn)行秀爾算法。

　　2010年3月31日，德國(guó)于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：德國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)成功模擬42位量子計(jì)算機(jī)，該中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)，在此基礎(chǔ)上研究人員首次能夠仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特性。

　　2011年4月，一個(gè)成員來(lái)自澳大利亞和日本的科研團(tuán)隊(duì)在量子通信方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了量子信息的完整傳輸。[8] 2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 發(fā)布了一款號(hào)稱 “全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”的計(jì)算設(shè)備“D-Wave One”。該量子設(shè)備是否真的實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算還沒有得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)同。同年9月，科學(xué)家證明量子計(jì)算機(jī)可以用馮·諾依曼架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同年11月，科學(xué)家使用4個(gè)量子位成功對(duì)143進(jìn)行因式分解。

　　2012年2月，IBM聲稱在超導(dǎo)集成電路實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算方面取得數(shù)項(xiàng)突破性進(jìn)展。 同年4月，一個(gè)多國(guó)合作的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出基于金剛石的具有兩個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，可運(yùn)行Grover算法，在95%的數(shù)據(jù)庫(kù)搜索測(cè)試中，一次搜索即得到正確答案。該研究成果為小體積、室溫下可正常工作的量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供可能。同年9月，一個(gè)澳大利亞的科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)基于單個(gè)硅原子的量子位，為量子儲(chǔ)存器的制造提供了基礎(chǔ)。 同年11月，首次觀察到宏觀物體中的量子躍遷現(xiàn)象。

　　2013年5月D-Wave System Inc宣稱NASA和Google共同預(yù)定了一臺(tái)采用512量子位的D-Wave Two量子計(jì)算機(jī)。

　　國(guó)內(nèi)突破

　　2013年6月8日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果發(fā)表在2013年6月7日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上，審稿人評(píng)價(jià)“實(shí)驗(yàn)工作新穎而且重要”，認(rèn)為“這個(gè)算法是量子信息技術(shù)最有前途的應(yīng)用之一”。據(jù)介紹，線性方程組廣泛應(yīng)用于幾乎每一個(gè)科學(xué)和工程領(lǐng)域。日常的氣象預(yù)報(bào)，就需要建立并求解包含百萬(wàn)變量的線性方程組，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中溫度、氣壓、濕度等物理參數(shù)的模擬和預(yù)測(cè)。而高準(zhǔn)確度的氣象預(yù)報(bào)則需要求解具有海量數(shù)據(jù)的方程組，假使求解一個(gè)億億億級(jí)變量的方程組，即便是用現(xiàn)在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也至少需要幾百年。[1] 美國(guó)麻省理工學(xué)院教授塞斯·羅伊德等提出了用于求解線性方程組的量子算法，利用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)將只需要10秒鐘。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了世界領(lǐng)先的多光子糾纏操控技術(shù)。實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著我國(guó)在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。

　　工作原理

　　普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為“比特”（bit）。但量子計(jì)算機(jī)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)更為強(qiáng)大。它們可以在量子比特（qubit）上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場(chǎng)中的原子，它像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，于是它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。常識(shí)告訴我們：原子的旋轉(zhuǎn)可能向上也可能向下，但不可能同時(shí)都進(jìn)行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來(lái)描述。

　　想象一串原子排列在一個(gè)磁場(chǎng)中，以相同的方式旋轉(zhuǎn)。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會(huì)躍下這組原子，迅速翻轉(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)測(cè)量進(jìn)入的和離開的激光束的差異，我們已經(jīng)完成了一次復(fù)雜的量子“計(jì)算”，涉及了許多自旋的快速移動(dòng)。

　　從數(shù)學(xué)抽象上看，量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行以集合為基本運(yùn)算單元的計(jì)算，普通計(jì)算機(jī)執(zhí)行以元素為基本運(yùn)算單元的計(jì)算（如果集合中只有一個(gè)元素，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算沒有區(qū)別）。

　　以函數(shù)y=f(x)，x∈A為例。量子計(jì)算的輸入?yún)?shù)是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；經(jīng)典計(jì)算的輸入?yún)?shù)是x，得到輸出值y，要多次計(jì)算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。[1]

　　量子計(jì)算機(jī)有一個(gè)待解決的問題，即輸出值域B只能隨機(jī)取出一個(gè)有效值y。雖然通過(guò)將不希望的輸出導(dǎo)向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠(yuǎn)少于輸入集A中的元素，但當(dāng)需要取出全部有效值時(shí)仍需要多次計(jì)算。

　　實(shí)際運(yùn)用

　　D-Wave 量子計(jì)算機(jī)-首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)

　　在2007年，加拿大計(jì)算機(jī)公司D-Wave展示了全球首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶座）”，它利用了量子退火效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。該公司此后在2011年推出具有128個(gè)量子位的D-Wave One型量子計(jì)算機(jī)并在2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預(yù)定了一臺(tái)具有512個(gè)量子位的D-Wave Two量子計(jì)算機(jī)。

　　NSA加密破解計(jì)劃

　　2014年1月3日，美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）正在研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)，希望破解幾乎所有類型的加密技術(shù)。投入巨資 投入4.8億進(jìn)行“滲透硬目標(biāo)”[1]

　　首臺(tái)編程通用量子計(jì)算機(jī)

　　2009年11月15日，世界首臺(tái)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生。不過(guò)根據(jù)初步的測(cè)試程序顯示，該計(jì)算機(jī)還存在部分難題需要進(jìn)一步解決和改善。科學(xué)家們認(rèn)為，可編程量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。

　　單原子量子信息存儲(chǔ)首次實(shí)現(xiàn)

　　2013年5月，德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，首次成功地實(shí)現(xiàn)了用單原子存儲(chǔ)量子信息——將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫入一個(gè)銣原子中，經(jīng)過(guò)180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，并讓其遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。

　　首次實(shí)現(xiàn)線性方程組量子算法

　　2013年6月8日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)的陸朝陽(yáng)、劉乃樂研究小組，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。該研究成果發(fā)表在6月7日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　金剛石建成世界上首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)

　　2015年12月，以杜教授為首的中國(guó)科技大學(xué)研究人員小組建立了一個(gè)新的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以使用相應(yīng)的方式退出體系結(jié)構(gòu)。比起普通二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，這一系統(tǒng)使得能夠進(jìn)行更為大量的計(jì)算。通常，這種系統(tǒng)都需要帶有氣候檢測(cè)的特別裝備實(shí)驗(yàn)室，而這一新模型卻能夠在普通的房屋內(nèi)也能夠安全存放。其量子計(jì)算能夠在普通室溫的條件下工作，這是借助于金剛石中少量的氮來(lái)完成的。

　　研究意義

　　迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。但是，世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，問題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。還很難說(shuō)哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來(lái)也許現(xiàn)有的方案都派不上用場(chǎng)，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對(duì)于電子計(jì)算機(jī)一樣。研究量子計(jì)算機(jī)的目的不是要用它來(lái)取代現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新，這是量子計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)如光計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)等的不同之處。量子計(jì)算機(jī)的作用遠(yuǎn)不止是解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問題。