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一、量子計算機

 

什么是量子計算機？ 是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

 

 

 

早在1920年，奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克，共同創建了一個前所未有的新學科——量子力學。量子力學的誕生為人類未來的第四次工業革命打下了基礎。在它的基礎上人們發現了一個新的技術，就是量子計算機。

 

量子計算機的技術概念最早由理查得·費曼提出，后經過很多年的研究這一技術已初步見成效。2013年6月8日，由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊首次成功實現了用量子計算機求解線性方程組的實驗。相關成果發表在2013年6月7日出版的《物理評論快報》上，審稿人評價“實驗工作新穎而且重要”，認為“這個算法是量子信息技術最有前途的應用之一。

 

實驗的成功標志著我國在光學量子計算領域保持著國際領先地位。2017年5月3日，中國科學技術大學潘建偉教授宣布，在光學體系，研究團隊在2016年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機。

 

量子計算機原理：普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行，稱為“比特”（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，于是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。所以，常識告訴我們：原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

 

2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一臺商用的集成量子計算系統。

 

中科院量子信息重點實驗室副主任、本源量子計算公司創始人兼首席科學家郭國平郭國平認為，量子是一門學科，一門科學，而不是玄學，它是對某種物理狀態的描述，所以量子這個詞不只特定出現在量子力學中。郭國平認為，現在沒有真正意義上的量子計算機。在經典計算機里面，我們大多數討論的是物理比特，但是真正的量子計算機實際上是邏輯比特。邏輯比特跟物理比特的差距就是，物理比特是會有錯誤率的，比如說萬分之一，甚至是千分之一。用一個或多個物理比特編碼才能夠形成真正的比特，也就是邏輯比特。所以從這個概念來看，目前無論是國內、國外，他們做的基本上還是停留在物理比特的階段，當然現在已經在嘗試邏輯比特。所以，我們說，現在還沒有真正的量子計算機。

 

量子器件不僅體積小，而且工作原理和現有的半導體電子器件完全不一樣。迄今為止，各種硅半導體電子器件都是通過控制電子的數目來實現信息處理的。例如，開關元件通過有無電子流來控制電路的通、斷，或表示狀態“1”或“0”；放大元件是控制所通過電子的多少來實現放大功能的。　然而，量子器件不單純通過控制電子數量的變化，而主要是通過控制電子波動的相位來進行工作的，它能實現更高的響應速度和更低的電力消耗。

 

因此，量子器件的出現，人們就有可能研制出比現有最小的電子器件還要小的、由單個電子構成的元器件。據報道，美國威斯康星大學的材料科學家根據量子力學理論已制造出了一些可容納單個電子的被稱為“量子點”的微小結構。這種量子點非常微小，在一個針尖上就可容納幾十億個。這將為制造更微型化的微處理器和更高容量的存儲器開拓了美好的前景。科學家認為，量子力學的理論將會對整個電子工業產生重大的影響，就是產生量子計算機。