展望量子計(jì)算機(jī)在未來(lái)科學(xué)中的應(yīng)用

周博深

摘要近些年來(lái)，科學(xué)家們?cè)诹孔蛹夹g(shù)方面先后取得了卓越的研究成果，而量子計(jì)算機(jī)作為量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，被視為從根本上改變?nèi)祟愇磥?lái)發(fā)展的新興技術(shù)，被科研人員稱作替代硅芯片計(jì)算機(jī)的“未來(lái)之星”，是目前信息科技領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文將會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)量子計(jì)算機(jī)在未來(lái)科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞量子計(jì)算機(jī)；現(xiàn)狀；未來(lái)應(yīng)用

量子計(jì)算機(jī)相較于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其信息存儲(chǔ)和處理能力都有著質(zhì)的飛躍。Steve_Jurveston是Draper Fisher-Jurveston投資公司的常務(wù)董事，也是領(lǐng)先量子計(jì)算機(jī)公司D Wave Systems的早期投資者，他把量子計(jì)算機(jī)計(jì)算速度迅速提升的定律稱為羅斯定律。和摩爾定律預(yù)言半導(dǎo)體處理器的發(fā)展速度一樣，羅斯定律也預(yù)言了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度，只不過(guò)后者的速度要比前者快得多。相較于量子計(jì)算機(jī)的理論研究來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用雖然存在一些問(wèn)題，但是其在未來(lái)科學(xué)中有著巨大的發(fā)展前景。本文就此對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

1量子計(jì)算機(jī)的基本概念及發(fā)展歷程

基本概念：量子計(jì)算機(jī)，顧名思義，就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的一種計(jì)算機(jī)器。其主要有以下2個(gè)特點(diǎn)，其一是將輸入態(tài)和輸出態(tài)進(jìn)行一般的疊加態(tài)，并且這兩者之間通常不相交；其二是在量子計(jì)算機(jī)中的交換為所有可能的正交換，在得出結(jié)果后，對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量。

發(fā)展歷程：量子計(jì)算機(jī)最早由理乍得·費(fèi)曼提出，早先量子計(jì)算是從一種物理現(xiàn)象中模擬而來(lái)的，在模擬過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系列的驗(yàn)證、研發(fā)而得出了量子計(jì)算機(jī)概念；在1980年，量子計(jì)算機(jī)仍處于紙上談兵的理論階段，直到1994年量子質(zhì)因子分解算法被提出，加快了量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的進(jìn)程；現(xiàn)如今，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)基本研發(fā)成型，并逐漸被應(yīng)用在各行各業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了便捷。

2量子計(jì)算機(jī)目前的發(fā)展?fàn)顩r

量子計(jì)算機(jī)作為一種新型的運(yùn)算工具，它有著強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)的能力。可以解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)很多難以解決的問(wèn)題。現(xiàn)如今的量子計(jì)算機(jī)打破了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心，運(yùn)行輸入與輸出的模式，創(chuàng)新性地將輸入與輸出相互疊加，在所有運(yùn)算完成正變換之后再對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，這大大加快了機(jī)器的運(yùn)行速度。量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比具有明顯的進(jìn)步和優(yōu)勢(shì)，其研究領(lǐng)域如圖1所示，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題，現(xiàn)從這兩個(gè)方面對(duì)量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2.1量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)

量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在運(yùn)算速度上，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理是串行處理，只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)是并行處理，它采用的是量子比特，可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，這就使得它能夠同時(shí)執(zhí)行多重運(yùn)算。可以說(shuō)量子計(jì)算機(jī)相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度就好比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相較于算盤。

此外，量子計(jì)算機(jī)的并行處理大大地提高了計(jì)算機(jī)的工作效率，使其在一定情況下可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所無(wú)法完成的運(yùn)算。例如，對(duì)一個(gè)很大的自然數(shù)進(jìn)行因子分解，量子計(jì)算機(jī)利用相干性原理可以對(duì)自然數(shù)進(jìn)行超快計(jì)算，其運(yùn)算速度是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所無(wú)法比擬的。當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)所具有的存儲(chǔ)大、能耗低、精確度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)也不容小覷，這說(shuō)明在運(yùn)算過(guò)程中，量子計(jì)算機(jī)存在著巨大的發(fā)展空間。

2.2量子計(jì)算機(jī)存在的問(wèn)題

1）量子相干性很難保持。量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在并行處理上，而其本質(zhì)上利用了量子相干性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行運(yùn)行的量子比特不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，會(huì)與外界相互作用，作用結(jié)果就很容易消相干，因此量子相干性難以長(zhǎng)時(shí)間保持，這影響了量子計(jì)算機(jī)在快速運(yùn)算的良好效果，常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算中斷等運(yùn)算故障。

2）量子糾錯(cuò)。量子現(xiàn)象非常脆弱，因此，在運(yùn)算過(guò)程中依靠量子特性計(jì)算的運(yùn)算過(guò)程容易出錯(cuò)，再加上其傳播速度快，很容易對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行造成干。并且量子比特極其復(fù)雜，是多方面運(yùn)算而不是對(duì)其簡(jiǎn)單的復(fù)制，所以在進(jìn)行糾錯(cuò)時(shí)會(huì)更加困難。

3）量子芯片有待突破。量子芯片是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的硬件，對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的。就目前來(lái)看，選擇什么材料來(lái)做量子芯片、做到什么程度仍然是科研人員需要深入研究的內(nèi)容。

3量子計(jì)算機(jī)在未來(lái)科學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用

與量子計(jì)算機(jī)的研究理論相比，其實(shí)際應(yīng)用開展則較為緩慢，但是就目前來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)不管是在功能，還是在其模擬運(yùn)算上都將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，可以說(shuō)量子計(jì)算機(jī)迎來(lái)了發(fā)展的大好時(shí)代，其在未來(lái)科學(xué)發(fā)展中的潛力是不可估量的。以下幾個(gè)方面是其主要發(fā)展方向。

3.1量子計(jì)算

量子快速計(jì)算，是量子計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，也是重要的潛力點(diǎn)。量子計(jì)算是一種潛在的變革，它會(huì)在未來(lái)科學(xué)中幫助我們解決現(xiàn)在看來(lái)不可能或者不切實(shí)際的難題。科研人員在對(duì)量子計(jì)算機(jī)的加密系統(tǒng)的研究中也發(fā)現(xiàn)了量子系統(tǒng)具備良好的潛在實(shí)用價(jià)值，它可以解決目前無(wú)法解決的物理和量子化學(xué)難題。例如科學(xué)家在進(jìn)行物理和化學(xué)的研究時(shí)，量子計(jì)算可以幫助科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出新材料和新藥物，提高了研發(fā)效率。此外，量子計(jì)算機(jī)還能夠快速處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫(kù)和大規(guī)模存儲(chǔ)多樣化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)。這將會(huì)改變?nèi)藗兊臎Q策方式并幫助科研人員取得重大科研發(fā)現(xiàn)。

3.2量子密碼

在量子領(lǐng)域，量子密碼可能是第一個(gè)走向?qū)嶋H應(yīng)用的方向，而對(duì)人類影響最大的當(dāng)屬量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)能夠和GFoveF搜索破譯密碼，同時(shí)也提供了一種保密通訊的方式。在利用EPR對(duì)量子通訊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有擁有對(duì)的EPR的一方才能夠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做到真正的保密通訊。

3.3量子信息處理

量子計(jì)算機(jī)相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，其信息處理能力更強(qiáng)，能夠做到很多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做不到的事。比如利用量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒛撤N病毒體內(nèi)的各種成分分析的清清楚楚，幫助科研人員制造出有針對(duì)性的強(qiáng)力藥物，除此之外，量子信息處理系統(tǒng)還可以在很短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)觀測(cè)的信息計(jì)算出某地地震的概率，給決策層提供一些線索，有利于減少自然災(zāi)害所帶來(lái)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在天氣預(yù)報(bào)方面也同樣能夠提供更加精確的預(yù)測(cè)，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)便利。

4結(jié)論

相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)不僅在外形和材料上有很大突破，其還具有海量的計(jì)算能力和無(wú)限的未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)因此也成為各國(guó)戰(zhàn)略的重中之重。而在國(guó)家的戰(zhàn)略重視和支持下，我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)的研究方面也取得了重大進(jìn)展。在未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)必將更加完善，會(huì)從實(shí)驗(yàn)室走向人們的生活，取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)并改變?nèi)祟惿鐣?huì)的面貌，幫助科學(xué)家完成更多的研究，助力人類更好地探索無(wú)限可能的未來(lái)。