量子計算機的現狀及發展趨勢

2017年2月21日下午，《麻省理工科技評論》(MIT Technology Review)2017年全球十大突破性技術”中國大陸地區首發，其中量子計算機技術入選其中，量子計算機技術是一個充滿魅力的科學領域，同時也是一門具有挑戰性和研究性的課程，這就是許多科學家被它所吸引的原因之一。量子計算機能夠分析的科學多種多樣，對各個學科的分析詳細到位，需要用到量子計算機的課程一般是物理學、材料分析學、信息科學、生物學等，所以量子計算機所涉及的領域很廣，值得科學家們去開發和進一步研究。

量子計算機的特點包括運行快、處理信息的能力強、適用的范圍廣等。相比普通的計算機而言，信息的處理量越多對量子計算機的運算就越有利，更能保證運算的精確性，而普通的計算機對于信息的處理速度就比較慢，難于滿足人們的需求。量子計算機的發展速度目前雖然比普通的計算機緩慢，但是明顯比普通計算機更能引起人們的注意，最大的原因就是其擁有很強的適用性，能夠提高人民的生活水平，改善人們的生活方式。

量子計算機和許多計算機一樣都是由許多硬件和軟件組成的，軟件方面包括量子算法、量子編碼等，在硬件方面包括量子晶體管、量子儲存器、量子效應器等。量子晶體管就是通過電子高速運動來突破物理的能量界限，從而實現晶體管的開關作用，這種晶體管控制開關的速度很快，晶體管比起普通的芯片運算能力強很多，而且對使用的環境條件適應能力很強，所以在未來的發展中，晶體管是量子計算機不可缺少的一部分。量子儲存器是一種儲存信息效率很高的儲存器，它能夠在非常短時間里對任何計算信息進行賦值，是量子計算機不可缺少的組成部分，也是量子計算機最重要的部分之一。量子計算機的效應器就是一個大型的控制系統，能夠控制各部件的運行。這些組成在量子計算機的發展中占領著主要的地位，發揮著重要的運用。

量子計算機相比普通的計算機擁有很明顯的優勢，量子計算機的計算速度快、計算更準確，所擁有分析信息的功能更強大，能夠同時進行的運算多；它能夠輕易戰勝目前的RSA 公鑰密碼體系，在擁有這么強大的運算能力的背后不僅僅是以往 0 和 1 信息單元的儲存能力和運算能力的運行，而是 0 和 1 的升級，正是這種升級，使得量子計算機的運算速度超過普通計算機運算速度的 10 倍。這種信息單元的升級讓量子計算機在國防領域也能夠得到很好的應用。量子計算機擁有非常小的計算芯片，在節省材料的同時也帶來了強大的運算能力，非常有利于攜帶。

量子計算機的發展趨勢受到多種情況的影響，除了以上提到的軍事方面，就是量子計算機本身的組成部分，與計算機運算能力直接掛鉤的就是中央處理系統，一個好的中央處理系統是一部計算機的靈魂，量子計算機的芯片很小，在以后的發展中會追求更小、更全面，在發展量子計算機芯片這方面科學家們一直希望能夠從現在半導體晶體管時代突破到摩爾時代。美國作為第一個涉足量子計算機領域的國家，對量子計算機方面的研究非常深入，中國作為一個發展中的大國，在國家的大力支持和研究人員不斷的努力下，在量子計算機研究方面取得了巨大的進步，已實現了量子計算機實際應用零的突破。但是這還遠遠不夠，需要將其應用到各個領域，實現量子計算機的全面化應用。

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力，對于目前多變的信息，能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息，量子信息的處理先需要對量子計算機進行儲存處理，之后再對所給的信息進行量子分析。運用這種方式就能準確預測天氣狀況，目前計算機預測的天氣狀況的準確率達 75%，但是運用量子計算機進行預測，準確率能進一步上升，更加方便人們的出行。

目前的計算機通常會受到病毒的攻擊，直接導致電腦癱瘓，還會導致個人信息被竊取，但是量子計算機由于具有不可克隆的量子原理這些問題不會存在，在用戶使用量子計算機時能夠放心地上網，不用害怕個人信息泄露。另一方面，量子計算機擁有強大的計算能力，能夠同時分析大量不同的數據，所以在金融方面能夠準確分析金融走勢，在避免金融危機方面起到很大的作用；在生物化學的研究方面也能夠發揮很大的作用，可以模擬新的藥物的成分，更加精確地研制藥物和化學用品，這樣就能夠保證藥物的成本和藥物的藥性。

目前國內和國外所面臨的量子計算機的挑戰主要是以下四個：

(1)量子計算機必須要用到的量子算法問題，是量子計算機的核心之一，沒有了量子算法，量子計算機的強大功能就體現不出來，從而無法發揮量子計算機的真正能力，隨著研究的不斷深入，近幾年也得到了突破，但是仍然存在一些問題，需要進一步去研究與攻克。

(2)量子編程，專業人員還稱之為量子編碼，量子編碼是為了避免量子計算時錯誤的計算發生，也是確保量子計算機能夠正確運算的有利保證，沒有量子編碼，就沒有量子算法，這兩者必須相互作用才能最大發揮量子計算機的功能。

(3)實現量子計算機的各類系統，對于不同的量子系統需要做到搭載不同的信息，編寫更多的量子編碼，改變量子算法，由于量子計算機所涉及的領域廣闊，所以這方面的設計仍然面臨很大的挑戰，雖然許多科學家在不斷研究，但是取得的成果和收獲并不足。

(4)量子計算機目前的算法單一，還不能同時搭載和運行多種算法，例如，在量子算法中有一種叫做量子退火的算法，某種量子計算機搭載這種算法以后就不能再去搭載其他的算法，這就是目前量子計算機的缺陷和所要攻克的問題之一，值得一提的是這種量子退火算法仍然不能夠運用，在模擬的情況下能夠勉強試用，由此可以看出量子計算機的研究還停留在比較初級的水平。 量子計算機的發展趨勢目前美國和其他國家對量子計算機的研究深入，他們擁有著世界上量子計算機的先進技術，但是他們的技術保密性也很強，美國把量子計算機的技術重點運用于軍事，力求把量子計算機全方面用于軍事改革，從而提升自己的軍事化力量。

最近，科學家用量子計算機先輸入相關信息，然后設置為最低的旅行消費，最后設置為最短的旅行時間，結果在按下輸出鍵時馬上出現了多個模擬的方法。這種量子計算機技術被稱為量子計算機的路徑選擇，功能的強大之處就是能夠模擬生物中各種材料的合成方法，尋找到最合適的方法，且能夠進行化學的元素分析。如今越來越多的事實都表明了量子計算機將會扮演著越來越重要的角色、承擔很多的責任。

在 2017 年，我國通過自己的努力，迎來了真正屬于中國制造的量子計算機，這臺量子計算機是中國科學技術大學的潘建偉教授和其他同事的共同成果。其是超越世界上第一臺早期經典計算機的光量子計算機。這臺量子計算機的一大片光量子才相當于普通計算機的一個 CPU，但是這些光量子所構成的 CPU 卻超過普通計算機運算速度的 24 000 倍。除了在量子計算機的研究方面取得突破以外，量子計算研究領域也取得重大成果，打破了此前由美國航空局保持的 9 個超導量子比特的記錄。這些進步不僅僅是科學家們的研究成果，也是中國在量子計算機研究領域邁進的一大步。

通過對目前國內和國外的量子計算機技術的研究分析，不難發現我國的量子計算機技術還明顯落后于其他國家，需要不斷克服研究中的各種困難，爭取在量子計算機研究方面取得進步。我國量子計算機目前處于舉步維艱的情況，在這種情況下需要多借鑒國外的一些研究方法，運用自己的優勢取得突破性的進展，實現量子計算機的全面應用。

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總結

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