量子計算機的發展及應用前景

山西省大同市第一中學校 任紀榮

1.引言

毋庸置疑，計算機已憑先進的計算能力占領了21世紀科技的制高點，通訊手段與信息傳遞媒介也都有著日新月異的變化。而這便依賴于高度發達的數學與邏輯運算，集中體現在計算機的運算能力上。對高效的追求，使人們在提升計算機水平上投入大量精力，這也使量子計算機脫離設計圖紙逐步走向現實。量子計算機所體現出的優勢吸引了諸多科研學者與電子工程技術人員，也為物理學，生物科學，材料科學等大量學科注入新鮮血液[1]。

量子計算結合了量子力學與信息科學的先進技術，在不遠的未來，量子計算將利用量子力學為電腦運算注入新的活力，大幅提速，現存問題將迎刃而解。隨著量子理論與實踐的不斷發展，在大數據交叉分析，實驗的模擬，復雜數字因數分解，密碼破譯等方面，量子計算機已用事實證明其作用無可替代。

2.基本原理與優勢

2.1 基本原理

量子計算機是一種基于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[2]。

(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。量子比特相較于比特來說，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，屬于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的隨之改變。

(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，并能同時進行運算。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[3]。

2.2 相比傳統計算機的優勢

傳統計算機的運行速度只有在一定溫度下才能夠保證，計算機芯片散熱將降低運算速度。研究發現，計算過程中的不可逆操作是高能耗的主因，而量子計算機最突出的優勢就是能夠進行可逆操作，解決了傳統計算進難以避免的能耗問題。

根據摩爾定律，集成電路的性能能夠于每18-24個月的時間內翻一倍，與之相對，當材料與技術成本不變時，價格也會降為原價的0.5倍。由這一定律我們能夠感受到信息技術的飛速進步，但終有一天會達到此定律的極限。計算機芯片的布線密度是很大的限制原因，一旦達到某極限密度，就不會再遵循摩爾定律，此時波粒二象性不容忽視，根據海森堡不確定性關系，電子位置的不確定量很小時，動量的不確定量會很大，量子效應顯著，精準操作電子難度極大，易造成元件故障。因此元件的集成度有限，單位體積運算速度有受到很大影響，但量子計算機能很好的克服這一點。

3.發展現狀

近年來，隨著量子計算機優勢逐漸體現，世界上各大量子物理試驗室頻頻有實驗成果被宣布，攻克量子計算機研發難題，各國政府也開始將盡快掌握量子計算機提上了議程[4]。美國集中了Intel、IBM 公司等多家企業以及哈佛大學、普林斯頓大學等科研機構，旨在加速美國量子計算機研發過程，保證美國率先掌握并擁有量子計算技術。日本和歐共體也有著發展量子計算機意識，緊隨美國啟動了類似計劃。

各大計算機巨頭也在計劃將量子計算機商業化。2007 年 2 月，加拿大 D-Wave 公司宣布研制出世界上首臺擁有 16 量子位的量子計算機。但接下來幾年，D-Wave以驚人速度迅速將量子位提升至五百以上，引起科學界普遍懷疑。最終證實其研制的量子計算機實質上比經典計算機的運算速度沒有任何加速優勢。雖然D-Wave的加速傳奇破滅了，但也從側面彰顯了量子計算機的重要戰略價值。

2017年3月6日，IBM宣布將于年內推出全球首個商業“通用”量子計算服務-IBM Q。IBM表示，此服務配備有直接通過互聯網訪問的能力，在藥品開發以及各項科學研究上有著變革性的推動作用，已開始征集消費用戶。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。

4.應用前景

隨著對量子理論和量子計算機科學研究的不斷深入，量子計算和量子信息等已越來越頻繁地應用于軍事、經濟、情報、通信等領域，已經體現出非常廣闊的科技研發和應用前景，經濟效益不可估量。量子計算機計算能力與其可操縱的量子數密切相關。理論上，達到50量子位時，其對特定問題或特定實驗環境的模擬與計算能力就已遠超現代的超級計算機，實現信息及通訊意義上的“量子稱霸”。對許多大規模的計算難題，有了量子計算機就可以迎刃而解。

量子計算機的特殊運算方式，將帶給人們真正精確的天氣預報，高效模擬各類實驗，加快有效藥物的發現，使人們真正意義上攻克交通擁堵。而量子計算機先進的計算能力水平正是制造人工智能的關鍵[5]。

“中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室”正式于2015年7月30日在上海成立，將結合阿里云在經典計算算法和云計算方面的技術優勢，以及中科院在量子計算和量子人工智能等方面的優勢，共同進行量子計算機的研發[6]。

5.總結展望

量子計算，將徹底解決當前計算機所面臨的能耗和計算速度瓶頸，其強大的運算能力受到各大網絡巨頭乃至各國政府的高度關注。量子計算機的發展使得商業大規模計算有了強大的保證，使量子信息時代的來臨成為可能。量子計算機將在氣象預測、密碼破譯、生物醫學和人工智能方面帶來深刻的變革。相信在科研人員的努力下，量子計算機的真正實用化指日可待。屆時，量子計算和量子計算機將對科學研究、經濟發展等產生深遠影響。

[1]王蘊,黃德才,俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展[J].計算機系統應用,2011,20(06):228-231+237.

[2]王書浩,龍桂魯.大數據與量子計算[J].科學通報,2015,60(Z1):499-508.

[3]張煥國,毛少武,吳萬青,吳朔媚,劉金會,王后珍,賈建衛.量子計算復雜性理論綜述[J].計算機學報,2016,39(12):2403-2428.

[4]姚期智.距離量子計算還有最后一公里[N].中國信息化周報,2017-11-13(007).

[5]王邦春.量子計算云平臺發布[N].中國高新技術產業導報,2017-10-16(003).

[6]中科院量子創新研究院聯合阿里云發布量子計算云平臺[J].電子世界,2017,(20):200.