神奇的量子計算機（一）

最新 02-03

在CES 2018上，英特爾keynote演講甩出49量子比特（qubits）超導量子計算測試晶元「Tangle Lake」，震撼全場。

目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次；而一台50量子比特的運算速度將達到每秒1125億億次，瞬間秒殺世界最強超級計算機。

那麼量子計算機究竟有何神奇之處呢？接下來就由小編來帶大家一起揭開量子計算機的神秘面紗。

時代在召喚-一台巨獸的崛起

隨著計算機的計算速度每隔兩年便增加一倍，計算機的計算能力越來越強，而計算機的元件尺寸卻隨之越來越小。目前最先進的光刻技術可以生產出10nm級的元件，這使得集成電路技術逼近其量子極限。

在逼近量子尺寸時，就彷彿進入了傳說中的「地獄世界」，物質將服從這裡的規律-量子力學規律，電子的波粒二象性表現顯著，電子變得極難操縱，從而會導致電路故障。由於這時的單個電子的位置變得難以確定，所以，計算機保持數值0或1的可靠程度降低了。這個時候，一種新型的、基於量子力學的計算機-量子計算機就呼之欲出了。

從「理想國」到「開疆拓土」

在此之後，人們描繪了量子計算機的宏圖，首先開始這個嘗試的人是Benioff。他在20世紀80年代初期首先提出了量子計算的思想，設計了一台可執行的、有經典類比的量子Turing機，這邁出了人類向量子計算機進軍的第一步，可謂意義非凡。

但是如何結合量子力學理論構建量子計算機？ Benioff並沒有給出很好的答案。從Benioff手中接過接力棒的是Feynman先生，他提出了按照量子力學規律工作的計算機概念，從而使得量子計算機名副其實的脫離傳統計算機的設計理念，自此之後量子計算機的發展走上了屬於自己的道路。

Feynman先生只是解決了：怎樣用量子力學規律實現量子計算機？這樣一個問題，但是量子計算機究竟能否勝任模擬任何物理過程？他並沒有給出答案。

就在這個關鍵的時刻，牛津大學的David Deutsch於1985年發表的一篇論文很好的解決了Feynman先生的困惑。David Deutsch先生證明了任何物理過程原則上都能很好的被量子計算機模擬，而且他提出了基於量子干涉的「量子邏輯門」概念，並指出量子計算機可以通用化、量子計算的糾錯性問題，接著在Zurek的接力下，他的理論得到完善。

短暫的黑暗-從「未來之星」淪落到被人遺忘

就在量子計算機一路高歌奮進的時候，短暫的黑暗危機就此產生。也許正迎合了中國古語里的：天將降大任於斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨，餓其體膚！在20世紀80年代中期，量子計算機由於若干原因被冷落了。首先，當時的量子計算機模型都是把量子計算機看成是一個不與外界環境發生作用的孤立系統，並不是實際的可實現的模型，就猶如是一張不可實現的藍圖！其次，現實中存在很多不利於實現量子計算機的制約因素；另外由於大家都是處於高談闊論的階段，大家都不清楚量子計算機解決數學問題是否比經典計算機快！基於眾多的質疑，量子計算機的研究被大家擱置。歷史總是驚人的相似！成大事者，往往要經得起短暫的黑暗，之後才會迎來屬於自己的春天。量子計算機也不例外。

春暖花開-高歌奮進

量子計算機由於其變革型的意義，當然會重新獲得世界的認可。而且在集成電路危機的迫近下，量子計算機的「出山」已經是人心所向。

1994年，AT&T公司的Perer Shor博士發現了因子分解的有效量子演算法，解決了量子計算之魂-演算法的問題。1996年，S.Loyd證明了Feyrman猜想，指出模擬量子系統的演化將成為量子計算機的一個重要用途，量子計算機可以建立在量子圖靈機的基礎上。從此，隨著計算機科學和物理學間跨學科研究的突飛猛進，使得量子計算機的發展開始進入新的時代，各個國家和各大政府都紛紛制定了針對量子計算機的一系列研究開發計劃。

首先開始這個嘗試的當然是全球霸主-美國。美國高級計劃研究局先後於2002年12月和2004年4月制訂了名為「量子信息科學與技術發展規劃」的1.0版本和2.0版本，在該計劃書中，詳細介紹了美國發展量子計算機的主要步驟和時間表，如：美國將於2007年研製成功10個物理量子位的計算機，到2012年研製成功50個量子位的計算機。美國陸軍對量子計算機的需求更為迫切-2020年美軍將在武器上裝備量子計算機，這個意義我將在下一篇有關量子計算機應用與意義的文章中介紹到。

相比於美國，本著重振歐洲的強烈渴望，歐洲各國想在量子計算機領域上趕超美國，找回失去的歐洲貴族榮耀。歐洲在量子計算及量子加密方面也作了積極的研究開發。歐洲已經完成了第五個框架計劃中對不同量子系統（如原子、離子和諧振）的離散和糾纏的研究以及對量子演算法及信息處理的研究。同時，在第六個框架計劃中，歐洲將著重研究量子演算法和加密技術，預計在2018年研製成功高可靠、遠距離的量子數據加密技術。