量子计算机的发展及应用前景

山西省大同市第一中学校 任纪荣

1.引言

毋庸置疑，计算机已凭先进的计算能力占领了21世纪科技的制高点，通讯手段与信息传递媒介也都有着日新月异的变化。而这便依赖于高度发达的数学与逻辑运算，集中体现在计算机的运算能力上。对高效的追求，使人们在提升计算机水平上投入大量精力，这也使量子计算机脱离设计图纸逐步走向现实。量子计算机所体现出的优势吸引了诸多科研学者与电子工程技术人员，也为物理学，生物科学，材料科学等大量学科注入新鲜血液[1]。

量子计算结合了量子力学与信息科学的先进技术，在不远的未来，量子计算将利用量子力学为电脑运算注入新的活力，大幅提速，现存问题将迎刃而解。随着量子理论与实践的不断发展，在大数据交叉分析，实验的模拟，复杂数字因数分解，密码破译等方面，量子计算机已用事实证明其作用无可替代。

2.基本原理与优势

2.1 基本原理

量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追根溯源，是对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff最早提出了量子计算的基本理论[2]。

(1)量子比特

经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（qubit），用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态 0 和 1。量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态是 0 和 1 的相应量子态叠加。

(2)态叠加原理

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。

(3)量子纠缠

量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。

(4)量子并行原理

量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算[3]。

2.2 相比传统计算机的优势

传统计算机的运行速度只有在一定温度下才能够保证，计算机芯片散热将降低运算速度。研究发现，计算过程中的不可逆操作是高能耗的主因，而量子计算机最突出的优势就是能够进行可逆操作，解决了传统计算进难以避免的能耗问题。

根据摩尔定律，集成电路的性能能够于每18-24个月的时间内翻一倍，与之相对，当材料与技术成本不变时，价格也会降为原价的0.5倍。由这一定律我们能够感受到信息技术的飞速进步，但终有一天会达到此定律的极限。计算机芯片的布线密度是很大的限制原因，一旦达到某极限密度，就不会再遵循摩尔定律，此时波粒二象性不容忽视，根据海森堡不确定性关系，电子位置的不确定量很小时，动量的不确定量会很大，量子效应显著，精准操作电子难度极大，易造成元件故障。因此元件的集成度有限，单位体积运算速度有受到很大影响，但量子计算机能很好的克服这一点。

3.发展现状

近年来，随着量子计算机优势逐渐体现，世界上各大量子物理试验室频频有实验成果被宣布，攻克量子计算机研发难题，各国政府也开始将尽快掌握量子计算机提上了议程[4]。美国集中了Intel、IBM 公司等多家企业以及哈佛大学、普林斯顿大学等科研机构，旨在加速美国量子计算机研发过程，保证美国率先掌握并拥有量子计算技术。日本和欧共体也有着发展量子计算机意识，紧随美国启动了类似计划。

各大计算机巨头也在计划将量子计算机商业化。2007 年 2 月，加拿大 D-Wave 公司宣布研制出世界上首台拥有 16 量子位的量子计算机。但接下来几年，D-Wave以惊人速度迅速将量子位提升至五百以上，引起科学界普遍怀疑。最终证实其研制的量子计算机实质上比经典计算机的运算速度没有任何加速优势。虽然D-Wave的加速传奇破灭了，但也从侧面彰显了量子计算机的重要战略价值。

2017年3月6日，IBM宣布将于年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务-IBM Q。IBM表示，此服务配备有直接通过互联网访问的能力，在药品开发以及各项科学研究上有着变革性的推动作用，已开始征集消费用户。除了IBM，其他公司还有英特尔、谷歌以及微软等，也在实用量子计算机领域进行探索。

2017年5月3日，中国科学院潘建伟团队构建的光量子计算机实验样机计算能力已超越早期计算机。此外，中国科研团队完成了10

个超导量子比特的操纵，成功打破了目前世界上最大位数的超导量子比特的纠缠和完整的测量的记录。

4.应用前景

随着对量子理论和量子计算机科学研究的不断深入，量子计算和量子信息等已越来越频繁地应用于军事、经济、情报、通信等领域，已经体现出非常广阔的科技研发和应用前景，经济效益不可估量。量子计算机计算能力与其可操纵的量子数密切相关。理论上，达到50量子位时，其对特定问题或特定实验环境的模拟与计算能力就已远超现代的超级计算机，实现信息及通讯意义上的“量子称霸”。对许多大规模的计算难题，有了量子计算机就可以迎刃而解。

量子计算机的特殊运算方式，将带给人们真正精确的天气预报，高效模拟各类实验，加快有效药物的发现，使人们真正意义上攻克交通拥堵。而量子计算机先进的计算能力水平正是制造人工智能的关键[5]。

“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”正式于2015年7月30日在上海成立，将结合阿里云在经典计算算法和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和量子人工智能等方面的优势，共同进行量子计算机的研发[6]。

5.总结展望

量子计算，将彻底解决当前计算机所面临的能耗和计算速度瓶颈，其强大的运算能力受到各大网络巨头乃至各国政府的高度关注。量子计算机的发展使得商业大规模计算有了强大的保证，使量子信息时代的来临成为可能。量子计算机将在气象预测、密码破译、生物医学和人工智能方面带来深刻的变革。相信在科研人员的努力下，量子计算机的真正实用化指日可待。届时，量子计算和量子计算机将对科学研究、经济发展等产生深远影响。

[1]王蕴,黄德才,俞攸红.量子计算及量子算法研究进展[J].计算机系统应用,2011,20(06):228-231+237.

[2]王书浩,龙桂鲁.大数据与量子计算[J].科学通报,2015,60(Z1):499-508.

[3]张焕国,毛少武,吴万青,吴朔媚,刘金会,王后珍,贾建卫.量子计算复杂性理论综述[J].计算机学报,2016,39(12):2403-2428.

[4]姚期智.距离量子计算还有最后一公里[N].中国信息化周报,2017-11-13(007).

[5]王邦春.量子计算云平台发布[N].中国高新技术产业导报,2017-10-16(003).

[6]中科院量子创新研究院联合阿里云发布量子计算云平台[J].电子世界,2017,(20):200.