什么是量子计算机介绍

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。 量子计算机的计算基础是量子比特。

2021年2月8日，中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台合肥本源量子科技公司，发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。

2022年8月25日，百度发布集量子硬件、量子软件、量子应用于一体的产业级超导量子计算机“乾始”。

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。

量子计算机量子纠缠

量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。

量子计算机量子并行原理

量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。

量子计算机研究进程

20世纪80年代初期，Benioff首先提出了量子计算的思想，他设计一台可执行的、有经典类比的量子Turing机——量子计算机的雏形。

1982年，Feynman发展了Benioff的设想，提出量子计算机可以模拟其他量子系统。为了仿真模拟量子力学系统，Feynman提出了按照量子力学规律工作计算机的概念，这被认为是最早量子计算机的思想。

1985年，牛津大学的David Deutsch在发表的论文中，证明了任何物理过程原则上都能很好地被量子计算机模拟，并提出基于量子干涉的计算机模拟即“量子逻辑门”这一新概念，并指出量子计算机可以通用化、量子计算错误的产生和纠正等问题。由Zurek作了深入的分析和研究。但到了20世纪80年代中期，这一研究领域由于若干原因被冷落了。首先，因为当时所有的量子计算机模型都是把量子计算机看成是一个不与外界环境发生作用的孤立系统，而不是实际模型。其次，存在许多不利于实现量子计算机的制约因素，如Landauer指出的去相干、热噪声等等。另外，量子计算机可能易出错，而且不易纠错。最后，还不清楚量子计算机解决数学问题是否比经典计算快。

1994年，AT&T公司的Perer Shor博士发现了因子分解的有效量子算法。1996年，S.Loyd证明了Feynman的猜想，他指出模拟量子系统的演化将成为量子计算机的一个重要用途，量子计算机可以建立在量子图灵机的基础上。从此，随着计算机科学和物理学间跨学科研究的突飞猛进，使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发展。使得量子计算机的发展开始进入新的时代，各国政府和各大公司也纷纷制定了针对量子计算机的一系列研究开发计划。

首先，美国的高级研究计划局先后于2002年12和2004年4月制定了一个名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划的1.0版以及2.0版，该计划详细介绍了美国发展量子计算的主要步骤和时间表，该计划中美国将争取在2007年研制成10个物理量子位的计算机，到2012年研制成50个物理量子位的计算机。美国陆军也计划到2020年在武器上装备量子计算机。

欧洲在量子计算及量子加密方面也作了积极的研究开发。已经完成了第五个框架计划中对不同量子系统（如原子、离子和谐振）的离散和纠缠的研究以及对量子算法及信息处理的研究。同时，在第六个框架计划中，着重进行研究量子算法和加密技术，并预计到2008年研制成功高可靠、远距离量子数据加密技术。

日本于2000年10月开始为期5年的量子计算与信息计划，重点研究量子计算和量子通讯的复杂性、设计新的量子算法、开发健壮的量子电路、找出量子自控的有用特性以及开发量子计算模拟器。

2007年，加拿大DWave公司成功研制出一台具有16昆比特的“猎户星座”量子计算机，并于2008年2月13日和2月15日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机。

2009年11月15日，美国国家标准技术研究院研制出可处理两个昆比特数据的量子计算机。

全球第一家量子计算公司D-Wave于2015年6月22日宣布其突破了1000量子位的障碍、开发出了一种新的处理器，其量子位为上一代D-Wave处理器的两倍左右，并远超DWave或其他任何同行开发的产品的量子位。

2017年3月6日，IBM宣布将于年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务IBM。IBM表示，此服务配备有直接通过互联网访问的能力，在药品开发以及各项科学研究上有着变革性的推动作用，已开始征集消费用户。除了IBM，其他公司还有英特尔、谷歌以及微软等，也在实用量子计算机领域进行探索。

2017年5月3日，中国科学院潘建伟团队构建的光量子计算机实验样机计算能力已超越早期计算机。此外，中国科研团队完成了10个超导量子比特的操纵，成功打破了当时世界上最大位数的超导量子比特的纠缠和完整的测量的记录。

2020年6月18日，中国科学院宣布，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展——在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。这一成果19日在线发表于学术期刊《科学》上。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而当时世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。12月4日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

2021年2月8日，中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台合肥本源量子科技公司，发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。

2021年7月27日，东京大学与日本IBM宣布，商用量子计算机已开始投入使用，这在日本属于首次。

2021年11月15日，据英国《新科学家》杂志网站报道，IBM公司宣称，其已经研制出了一台能运行127个量子比特的量子计算机“鹰”，这是迄今全球最大的超导量子计算机。

2022年1月，德国于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)启动了拥有超过5000个量子位元的量子计算机，是欧洲量子计算机发展的一个重要里程碑。该台超级量子计算机由加拿大量子计算系统供应商D-Wave公司制造。

2022财年内(截至2023年3月)，日本政府计划投入研发国产量子计算机，以参与全球量子计算竞赛。

当地时间2022年6月9日，英国国防部称获得政府首台量子计算机。英国国防部表示将与英国量子计算机开发商Orca Computing共同合作，探索量子技术在国防领域的应用。

2022年8月9日，据共同社报道，日本分子科学研究所的团队实现了量子计算机“双量子位门”中的全球最高速，比谷歌公司此前的世界纪录快1倍以上，为6.5纳秒（纳秒是10亿分之一秒）。

2022年11月，来自芬兰和欧洲量子计算公司IQM的科学家研制出了一种新的超导量子比特“独角兽”，并以99.9%的置信度利用“独角兽”实现了量子逻辑门。这是构建商用量子计算机的重大里程碑，最新研究有望推动量子计算机的应用。11月，IBM公司的一台量子计算机运行迄今最大的量子程序。 11月，中国量子计算机“悟空”即将面世。

量子计算机难点

量子计算机量子消相干

量子计算的相干性是量子并行运算的精髓，但在实际情况下，量子比特会受到外界环境的作用与影响，从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰，导致量子相干性降低，也就是所谓的消相干现象。实际的应用中，无法避免量子比特与外界的接触，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一，它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

量子计算机量子纠缠

量子作为最小的颗粒，遵守量子纠缠规律。即使在空间上，量子之间可能是分开的，但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此，量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上，利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。

量子计算机量子并行计算

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器，经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者，而且读取速度快，多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性，它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一。

量子计算机量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子态不存在复制的过程，既然要保持量子态不变，则不存在量子的测量，也就无法实现复制。对于量子计算机来说，无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

量子计算机优势

量子计算机拥有强大的量子信息处理能力，对于海量的信息，能够从中提取有效的信息进行加工处理使之成为新的有用的信息。量子信息的处理先需要对量子计算机进行储存处理，之后再对所给的信息进行量子分析。运用这种方式能准确预测天气状况，目前计算机预测的天气状况的准确率达75%，但是运用量子计算机进行预测，准确率能进一步上升，更加方便人们的出行。

传统的计算机通常会受到病毒的攻击，直接导致电脑瘫痪，还会导致个人信息被窃取，但是量子计算机由于具有不可克隆的量子原理这些问题不会存在，在用户使用量子计算机时能够放心地上网，不用害怕个人信息泄露。另一方面，量子计算机拥有强大的计算能力，能够同时分析大量不同的数据，所以在金融方面能够准确分析金融走势，在避免金融危机方面起到很大的作用；在生物化学的研究方面也能够发挥很大的作用，可以模拟新的药物的成分，更加精确地研制药物和化学用品，这样就能够保证药物的成本和药物的药性。

量子计算机应用前景

量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力，同时也是发展人工智能的关键。由于量子计算机在并行运算上的强大能力，使它有能力快速完成经典计算机无法完成的计算。这种优势在加密和破译等地方有着巨大的应用。

量子计算机天气预报

如果我们使用量子计算机在同一时间对于所有的信息进行分析，并得出结果，那么我们就可以得知天气变化的精确走向，从而避免大量的经济损失。

量子计算机药物研制

量子计算机对于研制新的药物也有着极大的优势，量子计算机能描绘出万亿计的分子组成，并且选择出其中最有可能的方法，这将提高人们发明新型药物的速度，并且能够更个性化的对于药理进行分析。

量子计算机交通调度

量子计算机可以根据现有的交通状况预测交通状况，完成深度的分析，进行交通调度和优化。

量子计算机保密通信

不仅仅是对于我们生活相近的方面，量子计算机对于加密通信由于其不可克隆原理，将会使得入侵者不能在不被发现的情况下进行破译和窃听，这是量子计算机本身的性质决定的。

当地时间2022年6月9日，英国国防部宣布，获得政府首台量子计算机。

量子计算机最新进展

2022年8月25日，“量见未来”量子开发者大会上，百度正式对外发布其第一台产业级超导量子计算机——“乾始”，集量子硬件、量子软件、量子应用于一体，提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式。

2022年10月4日，欧洲高性能计算联合企业（EuroHPC JU）宣布，将选择捷克、德国、西班牙、法国、意大利、波兰六个成员国来部署史上第一个欧洲量子计算机网络，它将整合这六个国家现有的超级计算机，形成一个量子计算网络，于2023年下半年投入使用。

2022年10月，首个量子可扩展算法面世。该研究在量子计算机上揭示了强关联电子系统的重要特性，有望催生更高效的太阳能电池。

2023年2月12日，本源量子的4台“中国造”量子计算机亮相安徽合肥，并首次向中国公民免费开放参观。

2023年3月9日，据日本东京电视台报道，日本理化学研究所开发的第一台日本国产量子计算机将于3月27日投入使用。