量子计算

量子计算是一种遵循量子力学规来自律调控量子信息单元进行计算的新型计算模离反许效云式。对照于传统的通用计算360百科机，其理论模型是通客乡用图灵机;通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能由解决的问题，但是从计算的虽效率上，由于量子力学叠加展歌性的存在，目前某些晶顺促可粮圆映影素已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机其怕队直十下。

2019年8月，中国量子计算研究获重要进展：科学家环座地需领衔实现高性能单光子源。2021年1吃0月，中科院量子信息与量施雨象块子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子相异映气限岁起立计算方面取得重要进展，使中国成为目前世界上唯使养件吸九一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

2022年1月23日，中国首个量子计算全球开发者平台正式上线。该平台面向全展映已风球量子计算爱好者和开发者，并提供全面丰富的量子计算服务。

• 中文名 量子计算
• 基本原理 牵连原理
• 量子位 量子计算的理论基石
• 重叠原理 量子考虑成磁场中的电子

基本原理

　　量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个，而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量存落汽比调上子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机情句减夜专更快的处理速度。

量子位

　　量子位(qubit)是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元用二进制的 1 个位来表示，它不是处于" 0" 态班该货计比还支拉推就是处于" 1" 态. 在二进制量子计算来自机中，信息单元称为量子位，它除了处于" 0" 态或" 1" 态外，还可处于叠加态(superposed sta360百科te)。

　　叠加态是" 入势汉花输晶把0" 态和" 1" 态的任意线性叠加，它既可以是" 0" 态又可以是" 1" 态，" 0" 态和" 1" 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用电溶紧煤井护鲜拉而呈现出" 0" 态或 " 1" 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态(ground state)和第 1 激发态(first excited state)、 质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圆偏振光的左旋和右旋等。

　　一个量子系统包含若干粒子，这些粒子按照量子力学的规律运动，称此系统处于态空间的某种量子态。这里所说的态唱益抗空准内空间是指由多个本征态(eigenstate) (即基本的量子态)所张成的矢量空间，基本量子态简称基本态(basic state)或基矢(basic v左若草批毛ector) . 态空间可用Hilbert 空间(线性复向又罗准沿云几量空间)来表述，即Hi热吗lbert 空间可以表杨女机单扩述量子系统的各种可能的训状全全宪球药造边量子态.为了便于表示和运算，Dirac提自啊省稳湖督只云出用符号|x〉 来表示丝盾确根即量子态，|x〉 是一个按广类因不批输种列向量，称为ket ;它的共轭转置(conjuga欢诗术地计老te t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一个行向量，械余文余称为bra.一个量子位的叠编心英直愿绿是纪陆加态可用二维Hilbert 空间(即二维复向量空间)的单位向量来描述，其简化的示意图如右图所示.

叠加原理

　　把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与以磁场相反，称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下，用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态;那么，我们用一半的能量脉冲，将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上(处在每种状态上的几率为二分之一)。对于n个量子比特而言，它可以承载2的n次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化，幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步会对2^500种可能性同时做出了操作。2^500是一个可怕的数，它比地球上已知的原子数还要多(这是真正的并行处理，当今的经典计算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情)。

发展

概念的提出

　　量子计算(quantum computation) 的概念最早由阿岗国家实验室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机(quantum Turing machine)的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。

中期发展

　　1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出 [3]，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振(photon polarization)、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。截止到2017年，考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素，离子阱与超导系统走在了其它物理系统的前面。

　　2013年以来，中国潘建伟、陆朝阳等人在国际上首创了量子点脉冲共振激发技术，开始引领高性能单光子源的发展。但要实现完美的单光子源，还有两个重大技术难题需要逾越：一是量子点会随机发射两种偏振的光子，二是共振激发需要消除背景激光。

　　2019年8月13日，中国量子计算研究获重要进展：科学家领衔实现高性能单光子源。中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟与陆朝阳、霍永恒等人领衔，和多位国内及德国、丹麦学者合作，在国际上首次提出一种新型理论方案，在窄带和宽带两种微腔上成功实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为光学量子计算机超越经典计算机奠定了重要的科学基础。国际权威学术期刊《自然·光子学》日前发表了该成果，评价其“解决了一个长期存在的挑战”。

　　2022年1月23日，中国首个量子计算全球开发者平台正式上线。。该平台前身为国内首个以“量子计算”为主要特色的双创平台，目前正式升级为2.0版，更新为“量子计算全球开发者平台”，旨在将量子计算全球开发者平台打造成国内首个“经典-量子”协同的量子计算开发和应用示范平台，推进量子计算产业落地。面向全球量子计算爱好者和开发者，并提供全面丰富的量子计算服务。​

发展前景

　　量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在重要的问题是，如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性，同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。

　　世界上第一台来自商用量子计算机

　　加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机"D-Wave One"。D-Wave公司的口号就是-360百科-"Yes,you can have one."。D-W命班ave On采用了128-qubit(量子比特)的处理器，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算情温模杆段师谈即力机。不过严格来说这还算不上真状原活正意义的通用量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的希效航孔早很于差对手，而且编程方面也百放育器跑四哥这走英历需要重新学习。另外，为尽可能降低qubit的能级，需要利用低温超导状态下的铌产生qubit，D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近(20 mK)。

　万能角括岁移　量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。与论派案量么响成爱策二大规模量子计算所存在的一个往款核行况装企宁缺问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。

　　世界上第一台商用量子计算机

　　加拿大量子计算公原司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机"D-Wave One"，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是--"Ye凯越事s,you can ha事次毫笔动并ve one."。作们再其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算待司机"Orion"(海氧评简友收猎户座)，不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是似六洋丝元诗刚告能用一些量子力学方法解孩苏老限雷技吗重画清火决问题的特殊用途机器。

　　2017年1月，D-Wa四先皇统准项介考观剧殖ve公司推出D-Wave 2000Q，他们声称该系农抗永异孔城额黑自及统由2000个qubit构成，可以用于求解最优化、网络安全、机器学习、和采样等问题。对于一些基准问题测试，如最优化问题和基于机器学习的采样问题，D-Wave 2000Q胜过当前高度专业化的算法1000到10000倍。

D-Wave One量子处理器晶圆

　　D-Wave One量子计算机系统与D-Wave公司创始人兼CTO Geordie Rose

　　中科大首次研制出非局域量子模拟器

　　中国科学技术大学的量子信息重点实验室李传锋教授研究组首次研制出非局域量子模拟器，并且模拟了宇称-时间(Parity-time, PT)世界中的超光速现象。

　　这一实验充分展示了非局域量子模拟器在研究量子物理问题中的重要作用。

　　量子模拟器是解决特定问题的专用量子计算机，这一概念最早由费曼于1981年提出。费曼认为自然界本质上是遵循量子力学的，只有用遵循量子力学的装置，才能更好地模拟它，这个力学装置就是量子模拟器。目前量子模拟器研究中，人们更多关注的是它的量子加速能力，通常情况下，一个量子模拟器所操控的量子比特数越多，它的运算能力就越强。

相关争议

　　全球首批商用量子计算机再引争议

　　新华网华盛顿6月19日电(记者林小春)近几年来，由加拿大D波公司生产的全球首批商用量子计算机争议不断。瑞士和美国研究人员19日在《科学》杂志上发表论文说，在他们的测试中，D波量子计算机的整体计算性能并没有超过传统计算机，没有观测到所谓"量子加速"的证据。

　　量子计算机与传统计算机的一个主要区别是，传统计算机使用1和0存储信息并进行计算，而量子计算机使用的量子比特所能包含的信息则要多得多，理论上量子计算机的计算速度会大大超越传统计算机。

　　2007年，D波公司宣布成功研制全球首台商用量子计算机，尽管在量子性等方面存在争议，但仍于2011年和2013年卖给美国洛克希德-马丁公司和谷歌公司各一台，其中卖给谷歌的量子计算机速度据称比普通计算机快3.55万倍。

　　美国南加州大学量子信息科技中心博士后王智慧对新华社记者说，大多数从事基础量子计算研究的实验室，所研究的系统涉及的量子比特数目仅为个位数，而D波量子计算机的比特数目达到512，已经初步具有解决实际问题的规模。因而对其计算速度的研究，特别是与传统计算机在速度上的比较就成为亟待解决的一个问题。

　　王智慧是此次《科学》杂志论文的共同作者。她说，这项研究的重要意义就在于给出了"一个合理评估的标准程序"，主要内容是量子计算机能否带来整体计算速度的提高，即所谓"量子加速"。具体来说，他们测量了问题难度提升时D波量子计算机与传统计算机所分别增加的计算时间，如果存在"量子加速"，那么量子计算机增加的计算时间应该比传统计算机少得多。

　　在对洛克希德-马丁公司的D波量子计算机的测试评估中，研究人员没有找到"量子加速"的证据。王智慧说:"我们确实发现，在大批问题样本中，对某些具体问题的计算，量子芯片运行经典算法比传统计算机快。但就样本整体而言，我们没有探测到'量子加速'。"

　　王智慧特别强调:"这并不意味着量子计算机不会超越经典计算机，因为有很多因素会掩盖'量子加速'。"

　　她说，此次所研究的只是一类问题，有可能并非是量子计算机能最大限度发挥其长处的一类问题，有一些因素如输入问题参数的精度、操作温度等都会影响芯片的计算性能，"因而我们还是期待更确切的量子加速证据会在后续研究或者下一代更大更好的芯片中探测到"。

　　D波公司商业发展主管科林·威廉斯在接受《科学》杂志采访时反驳称，此项研究中所使用的问题太过简单，无法表现量子芯片的性能，"并非探测'量子加速'的最佳选择"。此前，D波公司共同创始人乔迪·罗斯还曾公开抨击此次研究的负责人、瑞士苏黎世联邦理工学院物理学家马蒂亚斯·特罗耶，称他的工作是"一派胡言"。