量子計算機的原理與應用

趙 壯

（武漢經濟技術開發區第一中學，武漢 430056）

1 前言

2017年5月，中科院曾經聲明：“中國誕生了世界第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機”。通過中科院公布的資料可知，下圖1為中科院研制的光量子計算機線路圖。筆者認為，量子計算機取得重大成就的一個重要原因是其計算限制的突破。

圖1 中科院研制的光量子計算機線路圖

1 量子計算機的原理分析

通過研究發現，量子計算機與經典的計算機的一個重要的差異是前者能夠同時實現0和1的存儲。相應地，我們可以對量子存儲器和經典存儲器進行比較，前者能夠同時存儲2N個數據，后者智能存儲這些數據中的其中一個。就傳統計算機和量子計算機的運算能力進行比較，舉個生動形象的例子：使用傳統計算機相當于用兩只手在彈鋼琴，而量子計算機相當于一千多只手在同時彈鋼琴。2013年6月，在國際上我國首次成功實現了用量子計算機求解線性方程組的實驗，這證明了它的計算速度是經典計算機無法企及的。如此看來，其與經典計算機差異非常大，量子計算機的運算資源利用率非常高。

2 量子計算機的優勢及應用

2.1 量子計算機的優勢

相較于傳統計算機而言，量子計算機所運用的是可逆運算，這將有效地降低傳統運算時的熱損耗，還可以解決因經典計算機電路過于密集而產生大量熱量而破壞芯片和計算機的問題。其次，兩者的算法有著本質的區別，經典計算機僅僅是單線程運算，可量子計算機則是并行運算，這在一些特殊場合有著無法比擬的優勢。最后，量子計算機的儲存能力也是遠遠超越于經典計算機的。

2.2 量子計算機的應用

量子計算機是發展人工智能的關鍵，理論上還具有模擬任意自然系統的能力。鑒于量子計算機具有經典計算機所無法企及的計算能力，因此其作用非常大。其優勢也是非常明顯的，量子計算機不僅可以在加密領域中有深入的應用，更能在破譯領域有廣泛的應用。

2.2.1 量子計算機在天氣預報中的應用

我們如果使用量子計算機同時對于所有匯總信息進行分析，進而得到結果，我們就能夠得知天氣的精準變化，因此避免巨大的經濟損失。目前引起天氣的變化因素很多，如風、海洋、云層等等，就連在地球這一端的蝴蝶如果輕輕揮動翅膀，就有很大可能引起另一端的天氣變化。目前的經典計算機系統還不足以對如此繁多的因素進行計算和分析，但是量子計算機未來可以突破這個難關，它的運算能力會讓氣象預報更精確。

2.2.2 量子計算機在交通調度中的應用

量子計算機能依據現有的交通情況預測交通狀況，進而完成深度分析，進行調度和優化。

在交通出行的過程中，量子計算機可以為司機規劃最優路線，最大程度上減小工作量。比如自駕旅游時，旅程中要在多個地方停留，普通計算機可能首先對所有可能行走路線長度分別計算，其次對最便捷路線進行篩選。可是，量子計算機則可以對所有行走路線長度進行計算，并以更快的速度篩選出最便捷路線。

2.2.3 量子計算機在保密通信中的應用

量子計算機的加密通信由于其不可復制的原理，將無法讓入侵者在不被發現的情況下進行破譯和竊聽，這也是由量子計算機本身的性質決定的。

3 結束語

對于量子計算機的研究，不能把它放在單一的學科去研究，而是要把多個學科綜合起來，因為量子計算機的研究范圍非常廣泛。量子計算機的研究范圍不僅包括了電子學和信息論的內容，還包括了物理學和量子力學等學科的內容。正是因為量子計算機所涵蓋的內容如此之多，才使量子計算機不斷地得到發展與改進。但是，我們必須正視量子計算機發展過程中存在較多問題和不足的事實。當這些問題得到有效處理，加上相關學科的帶動發展，在不久的將來，量子計算機必定在越來越多的領域得到應用。讓我們拭目以待，量子計算機必將會推動人類社會的發展與進步。