量子計算的現狀與展望

2020-11-24 電子發燒友

量子計算的現狀與展望

李陽 發表於 2020-11-19 14:23:19

量子計算（Quantum Computing）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；而通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

1982年，美國著名物理學家理察·費曼教授提出了量子計算的概念，並指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超傳統計算機的能力優勢。90年代先後誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為後來量子計算技術發展奠定了重要的理論基礎。

量子計算的主要原理就是利用了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在經典計算模式只能處於0或1的一種，而量子比特卻能夠處於0和1的疊加態。換言之，每個經典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。

當計算機有n個存儲器時，傳統計算模式每操作一次只能變化一個數據，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數據，量子計算的數據處理能力是傳統模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優勢將十分明顯。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機尚未走向大規模實用。

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，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。

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和更重要作用。因此，量子計算領域近年異常熱鬧，許多科研機構都已進軍量子計算領域。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等美國科技企業擁有先發優勢，通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基於一個包含54個量子比特的量子晶片開發了量子計算系統，它花費約200秒完成的任務，而傳統超級計算機要1萬年才能完成。

谷歌研究人員最近藉助量子計算系統，首次成功模擬了一個化學反應。他們表示，儘管這一反應很簡單，但卻是量子計算系統走向實用化的重要一步；而量子計算系統模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在研究，微軟就是其中一員。

今年7月，微軟發表了一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛。展示了量子計算與化學結合的應用前景。未來可以將這種算法擴大規模，來模擬更複雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。

中國百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，百度、本源量子等企業先後發布了自己的最新量子計算雲平臺，使普通用戶也能通過雲技術使用量子計算。

最近，中國科學技術大學與德國海德堡大學和義大利特倫託大學的研究人員在量子計算方面取得新突破。他們開發了一種專用的量子計算機，通過操控束縛在其中的超冷原子，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理。

量子計算通常分為通用量子計算和專用量子計算兩類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，後者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學術主要集中於專用量子計算領域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用於先進武器設計和雷達開發測試等領域。

中國著名學者周海中教授曾經說過：計算不僅是數學的基礎技能，而且是整個科學的基本工具。可以說，量子計算是一種新的且有用的工具。毫無疑問，作為新型計算模式，量子計算將在各學科領域發揮越來越重要的作用。

文/李陽（作者單位：丹麥技術大學信息技術和數學建模系）

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