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一、量子計(jì)算機(jī)

 

什么是量子計(jì)算機(jī)？ 是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(jì)算機(jī)的研究。研究可逆計(jì)算機(jī)的目的是為了解決計(jì)算機(jī)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(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)。在它的基礎(chǔ)上人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的技術(shù)，就是量子計(jì)算機(jī)。

 

量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出，后經(jīng)過很多年的研究這一技術(shù)已初步見成效。2013年6月8日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果發(fā)表在2013年6月7日出版的《物理評論快報(bào)》上，審稿人評價(jià)“實(shí)驗(yàn)工作新穎而且重要”，認(rèn)為“這個(gè)算法是量子信息技術(shù)最有前途的應(yīng)用之一。

 

實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著我國在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域保持著國際領(lǐng)先地位。2017年5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授宣布，在光學(xué)體系，研究團(tuán)隊(duì)在2016年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。

 

量子計(jì)算機(jī)原理：普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為“比特”（bit）。但量子計(jì)算機(jī)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)更為強(qiáng)大。它們可以在量子比特（qubit）上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，于是它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。所以，常識(shí)告訴我們：原子的旋轉(zhuǎn)可能向上也可能向下，但不可能同時(shí)都進(jìn)行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)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(tài)的總和來描述。

 

2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一臺(tái)商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)。

 

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、本源量子計(jì)算公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家郭國平郭國平認(rèn)為，量子是一門學(xué)科，一門科學(xué)，而不是玄學(xué)，它是對某種物理狀態(tài)的描述，所以量子這個(gè)詞不只特定出現(xiàn)在量子力學(xué)中。郭國平認(rèn)為，現(xiàn)在沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里面，我們大多數(shù)討論的是物理比特，但是真正的量子計(jì)算機(jī)實(shí)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(huì)有錯(cuò)誤率的，比如說萬分之一，甚至是千分之一。用一個(gè)或多個(gè)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(gè)概念來看，目前無論是國內(nèi)、國外，他們做的基本上還是停留在物理比特的階段，當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)在嘗試邏輯比特。所以，我們說，現(xiàn)在還沒有真正的量子計(jì)算機(jī)。

 

量子器件不僅體積小，而且工作原理和現(xiàn)有的半導(dǎo)體電子器件完全不一樣。迄今為止，各種硅半導(dǎo)體電子器件都是通過控制電子的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)信息處理的。例如，開關(guān)元件通過有無電子流來控制電路的通、斷，或表示狀態(tài)“1”或“0”；放大元件是控制所通過電子的多少來實(shí)現(xiàn)放大功能的?！∪欢孔悠骷粏渭兺ㄟ^控制電子數(shù)量的變化，而主要是通過控制電子波動(dòng)的相位來進(jìn)行工作的，它能實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)速度和更低的電力消耗。

 

因此，量子器件的出現(xiàn)，人們就有可能研制出比現(xiàn)有最小的電子器件還要小的、由單個(gè)電子構(gòu)成的元器件。據(jù)報(bào)道，美國威斯康星大學(xué)的材料科學(xué)家根據(jù)量子力學(xué)理論已制造出了一些可容納單個(gè)電子的被稱為“量子點(diǎn)”的微小結(jié)構(gòu)。這種量子點(diǎn)非常微小，在一個(gè)針尖上就可容納幾十億個(gè)。這將為制造更微型化的微處理器和更高容量的存儲(chǔ)器開拓了美好的前景?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子力學(xué)的理論將會(huì)對整個(gè)電子工業(yè)產(chǎn)生重大的影響，就是產(chǎn)生量子計(jì)算機(jī)。