量子計算

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照於傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由於量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時速度要快於傳統的通用計算機。

基本介紹

• 中文名：量子計算
• 基本原理：牽連原理
• 量子位：量子計算的理論基石
• 重疊原理：量子考慮成磁場中的電子

基本原理

量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處於多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比於經典信息處理具有更大潛力。普通計算機中的2位暫存器在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）暫存器可同時存儲這四種狀態的疊加狀態。隨著量子比特數目的增加，對於n個量子比特而言，量子信息可以處於2種可能狀態的疊加，配合量子力學演化的並行性，可以展現比傳統計算機更快的處理速度。

量子位

量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處於“ 0” 態就是處於“ 1” 態. 在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處於“ 0” 態或“ 1” 態外，還可處於疊加態（superposed state）。

疊加態是“ 0” 態和“ 1” 態的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態又可以是“ 1” 態，“ 0” 態和“ 1” 態各以一定的機率同時存在. 通過測量或與其它物體發生相互作用而呈現出“ 0” 態或 “ 1” 態.任何兩態的量子系統都可用來實現量子位，例如氫原子中的電子的基態（ground state）和第 1 激發態（first excited state)、 質子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。

一個量子系統包含若干粒子，這些粒子按照量子力學的規律運動，稱此系統處於態空間的某種量子態。這裡所說的態空間是指由多個本徵態（eigenstate) （即基本的量子態）所張成的矢量空間，基本量子態簡稱基本態（basic state）或基矢（basic vector) . 態空間可用Hilbert 空間（線性復向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統的各種可能的量子態.為了便於表示和運算，Dirac提出用符號|x〉 來表示量子態，|x〉 是一個列向量，稱為ket ；它的共軛轉置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態可用二維Hilbert 空間（即二維復向量空間）的單位向量來描述，其簡化的示意圖如右圖所示.

疊加原理

把量子考慮成磁場中的電子。電子的旋轉可能與磁場一致，稱為上旋轉狀態，或者與磁場相反，稱為下旋狀態。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈衝能將下自旋態翻轉為上自旋態；那么，我們用一半的能量脈衝，將會把下自旋狀態製備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態上（處在每種狀態上的幾率為二分之一）。對於n個量子比特而言，它可以承載2的n次方個狀態的疊加狀態。而量子計算機的操作過程被稱為么正演化，么正演化將保證每種可能的狀態都以並行的方式演化。這意味著量子計算機如果有500個量子比特，則量子計算的每一步會對2^500種可能性同時做出了操作。2^500是一個可怕的數，它比地球上已知的原子數還要多（這是真正的並行處理，當今的經典計算機，所謂的並行處理器仍然是一次只做一件事情）。

發展

概念的提出

量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff於80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍後費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，並在1981年於麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的願景。1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限於探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展算法的階段。

中期發展

1994年，貝爾實驗室的套用數學家P. Shor指出 [3]，相對於傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別於傳統計算法則的量子算法（quantum algorithm）確實有其實用性，絕非科學家口袋中的戲法。自此之後，新的量子算法陸續的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執行這些量子算法。許多量子系統都曾被點名做為量子計算器的基礎架構，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動力學(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統的可擴展性和操控精度等因素，離子阱與超導系統走在了其它物理系統的前面。

發展前景

量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

世界上第一台商用量子計算機

加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On採用了128-qubit（量子比特）的處理器，理論運算速度已經遠遠超越現有任何超級電子計算機。不過嚴格來說這還算不上真正意義的通用量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決特殊問題的機器。通用任務方面還遠不是傳統矽處理器的對手，而且編程方面也需要重新學習。另外，為儘可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導狀態下的鈮產生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK）。

量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的準確性有困難。

世界上第一台商用量子計算機

加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用實用型量子計算機“Orion”（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。

D-Wave One量子處理器晶圓

2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統由2000個qubit構成，可以用於求解最最佳化、網路安全、機器學習、和採樣等問題。對於一些基準問題測試，如最最佳化問題和基於機器學習的採樣問題，D-Wave 2000Q勝過當前高度專業化的算法1000到10000倍。

D-Wave One量子計算機系統與D-Wave公司創始人兼CTO Geordie Rose

中科大首次研製出非局域量子模擬器

中國科學技術大學的量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組首次研製出非局域量子模擬器，並且模擬了宇稱—時間（Parity-time, PT）世界中的超光速現象。

這一實驗充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機，這一概念最早由費曼於1981年提出。費曼認為自然界本質上是遵循量子力學的，只有用遵循量子力學的裝置，才能更好地模擬它，這個力學裝置就是量子模擬器。目前量子模擬器研究中，人們更多關注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數越多，它的運算能力就越強。

華為首次曝光量子計算成果

2018年10月12日，華為公布了在量子計算領域的最新進展：量子計算模擬器HiQ雲服務平台問世，平台包括HiQ量子計算模擬器與基於模擬器開發的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎研究層面邁出的第一步。