量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用前景

山西省大同市第一中學(xué)校 任紀(jì)榮

1.引言

毋庸置疑，計(jì)算機(jī)已憑先進(jìn)的計(jì)算能力占領(lǐng)了21世紀(jì)科技的制高點(diǎn)，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(fā)達(dá)的數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算，集中體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力上。對(duì)高效的追求，使人們?cè)谔嵘?jì)算機(jī)水平上投入大量精力，這也使量子計(jì)算機(jī)脫離設(shè)計(jì)圖紙逐步走向現(xiàn)實(shí)。量子計(jì)算機(jī)所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)吸引了諸多科研學(xué)者與電子工程技術(shù)人員，也為物理學(xué)，生物科學(xué)，材料科學(xué)等大量學(xué)科注入新鮮血液[1]。

量子計(jì)算結(jié)合了量子力學(xué)與信息科學(xué)的先進(jìn)技術(shù)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，量子計(jì)算將利用量子力學(xué)為電腦運(yùn)算注入新的活力，大幅提速，現(xiàn)存問(wèn)題將迎刃而解。隨著量子理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展，在大數(shù)據(jù)交叉分析，實(shí)驗(yàn)的模擬，復(fù)雜數(shù)字因數(shù)分解，密碼破譯等方面，量子計(jì)算機(jī)已用事實(shí)證明其作用無(wú)可替代。

2.基本原理與優(yōu)勢(shì)

2.1 基本原理

量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子理論而工作的計(jì)算機(jī)。追根溯源，是對(duì)可逆機(jī)的不斷探索促進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)裝置遵循量子計(jì)算的基本理論，處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法。1981年，美國(guó)阿拉貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Paul Benioff最早提出了量子計(jì)算的基本理論[2]。

(1)量子比特

經(jīng)典計(jì)算機(jī)信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個(gè)狀態(tài)的物理系統(tǒng)，用0與1表示。在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個(gè)量子態(tài)│0>和│1>代替經(jīng)典比特狀態(tài) 0 和 1。量子比特相較于比特來(lái)說(shuō)，有著獨(dú)一無(wú)二的存在特點(diǎn)，它以兩個(gè)邏輯態(tài)的疊加態(tài)的形式存在，這表示的是兩個(gè)狀態(tài)是 0 和 1 的相應(yīng)量子態(tài)疊加。

(2)態(tài)疊加原理

現(xiàn)代量子計(jì)算機(jī)模型的核心技術(shù)便是態(tài)疊加原理，屬于量子力學(xué)的一個(gè)基本原理。一個(gè)體系中，每一種可能的運(yùn)動(dòng)方式就被稱作態(tài)。在微觀體系中，量子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法確定，呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性，與宏觀體系確定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相反。量子態(tài)就是微觀體系的態(tài)。

(3)量子糾纏

量子糾纏：當(dāng)兩個(gè)粒子互相糾纏時(shí)，一個(gè)粒子的行為會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)，此現(xiàn)象與距離無(wú)關(guān)，理論上即使相隔足夠遠(yuǎn)，量子糾纏現(xiàn)象依舊能被檢測(cè)到。因此，當(dāng)兩粒子中的一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，即此粒子被操作時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)的隨之改變。

(4)量子并行原理

量子并行計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)能夠超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的最引人注目的先進(jìn)技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)以指數(shù)形式儲(chǔ)存數(shù)字，通過(guò)將量子位增至300個(gè)量子位就能儲(chǔ)存比宇宙中所有原子還多的數(shù)字，并能同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。函數(shù)計(jì)算不通過(guò)經(jīng)典循環(huán)方法，可直接通過(guò)幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)算[3]。

2.2 相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度只有在一定溫度下才能夠保證，計(jì)算機(jī)芯片散熱將降低運(yùn)算速度。研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作是高能耗的主因，而量子計(jì)算機(jī)最突出的優(yōu)勢(shì)就是能夠進(jìn)行可逆操作，解決了傳統(tǒng)計(jì)算進(jìn)難以避免的能耗問(wèn)題。

根據(jù)摩爾定律，集成電路的性能能夠于每18-24個(gè)月的時(shí)間內(nèi)翻一倍，與之相對(duì)，當(dāng)材料與技術(shù)成本不變時(shí)，價(jià)格也會(huì)降為原價(jià)的0.5倍。由這一定律我們能夠感受到信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，但終有一天會(huì)達(dá)到此定律的極限。計(jì)算機(jī)芯片的布線密度是很大的限制原因，一旦達(dá)到某極限密度，就不會(huì)再遵循摩爾定律，此時(shí)波粒二象性不容忽視，根據(jù)海森堡不確定性關(guān)系，電子位置的不確定量很小時(shí)，動(dòng)量的不確定量會(huì)很大，量子效應(yīng)顯著，精準(zhǔn)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(yùn)算速度有受到很大影響，但量子計(jì)算機(jī)能很好的克服這一點(diǎn)。

3.發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，世界上各大量子物理試驗(yàn)室頻頻有實(shí)驗(yàn)成果被宣布，攻克量子計(jì)算機(jī)研發(fā)難題，各國(guó)政府也開始將盡快掌握量子計(jì)算機(jī)提上了議程[4]。美國(guó)集中了Intel、IBM 公司等多家企業(yè)以及哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，旨在加速美國(guó)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)過(guò)程，保證美國(guó)率先掌握并擁有量子計(jì)算技術(shù)。日本和歐共體也有著發(fā)展量子計(jì)算機(jī)意識(shí)，緊隨美國(guó)啟動(dòng)了類似計(jì)劃。

各大計(jì)算機(jī)巨頭也在計(jì)劃將量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。2007 年 2 月，加拿大 D-Wave 公司宣布研制出世界上首臺(tái)擁有 16 量子位的量子計(jì)算機(jī)。但接下來(lái)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(xué)界普遍懷疑。最終證實(shí)其研制的量子計(jì)算機(jī)實(shí)質(zhì)上比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度沒有任何加速優(yōu)勢(shì)。雖然D-Wave的加速傳奇破滅了，但也從側(cè)面彰顯了量子計(jì)算機(jī)的重要戰(zhàn)略價(jià)值。

2017年3月6日，IBM宣布將于年內(nèi)推出全球首個(gè)商業(yè)“通用”量子計(jì)算服務(wù)-IBM Q。IBM表示，此服務(wù)配備有直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)的能力，在藥品開發(fā)以及各項(xiàng)科學(xué)研究上有著變革性的推動(dòng)作用，已開始征集消費(fèi)用戶。除了IBM，其他公司還有英特爾、谷歌以及微軟等，也在實(shí)用量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行探索。

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)院潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的光量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)計(jì)算能力已超越早期計(jì)算機(jī)。此外，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)完成了10

個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，成功打破了目前世界上最大位數(shù)的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量的記錄。

4.應(yīng)用前景

隨著對(duì)量子理論和量子計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的不斷深入，量子計(jì)算和量子信息等已越來(lái)越頻繁地應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)、情報(bào)、通信等領(lǐng)域，已經(jīng)體現(xiàn)出非常廣闊的科技研發(fā)和應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)效益不可估量。量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力與其可操縱的量子數(shù)密切相關(guān)。理論上，達(dá)到50量子位時(shí)，其對(duì)特定問(wèn)題或特定實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬與計(jì)算能力就已遠(yuǎn)超現(xiàn)代的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息及通訊意義上的“量子稱霸”。對(duì)許多大規(guī)模的計(jì)算難題，有了量子計(jì)算機(jī)就可以迎刃而解。

量子計(jì)算機(jī)的特殊運(yùn)算方式，將帶給人們真正精確的天氣預(yù)報(bào)，高效模擬各類實(shí)驗(yàn)，加快有效藥物的發(fā)現(xiàn)，使人們真正意義上攻克交通擁堵。而量子計(jì)算機(jī)先進(jìn)的計(jì)算能力水平正是制造人工智能的關(guān)鍵[5]。

“中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”正式于2015年7月30日在上海成立，將結(jié)合阿里云在經(jīng)典計(jì)算算法和云計(jì)算方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及中科院在量子計(jì)算和量子人工智能等方面的優(yōu)勢(shì)，共同進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)[6]。

5.總結(jié)展望

量子計(jì)算，將徹底解決當(dāng)前計(jì)算機(jī)所面臨的能耗和計(jì)算速度瓶頸，其強(qiáng)大的運(yùn)算能力受到各大網(wǎng)絡(luò)巨頭乃至各國(guó)政府的高度關(guān)注。量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得商業(yè)大規(guī)模計(jì)算有了強(qiáng)大的保證，使量子信息時(shí)代的來(lái)臨成為可能。量子計(jì)算機(jī)將在氣象預(yù)測(cè)、密碼破譯、生物醫(yī)學(xué)和人工智能方面帶來(lái)深刻的變革。相信在科研人員的努力下，量子計(jì)算機(jī)的真正實(shí)用化指日可待。屆時(shí)，量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)將對(duì)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

[1]王蘊(yùn),黃德才,俞攸紅.量子計(jì)算及量子算法研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(06):228-231+237.

[2]王書浩,龍桂魯.大數(shù)據(jù)與量子計(jì)算[J].科學(xué)通報(bào),2015,60(Z1):499-508.

[3]張煥國(guó),毛少武,吳萬(wàn)青,吳朔媚,劉金會(huì),王后珍,賈建衛(wèi).量子計(jì)算復(fù)雜性理論綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2016,39(12):2403-2428.

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

[5]王邦春.量子計(jì)算云平臺(tái)發(fā)布[N].中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào),2017-10-16(003).

[6]中科院量子創(chuàng)新研究院聯(lián)合阿里云發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)[J].電子世界,2017,(20):200.