量子計算機(jī)

量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式。對照于傳統(tǒng)的通用計算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī)；通用的量子計算機(jī)，其理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機(jī)。從可計算的問題來看，量子計算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計算機(jī)所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的通用計算機(jī)。

基本原理 播報
量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計算機(jī)中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特數(shù)目的增加，對于n個量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計算機(jī)更快的處理速度。
量子位
量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規(guī)計算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài). 在二進(jìn)制量子計算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。
疊加態(tài)是“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態(tài)又可以是“ 1” 態(tài)，“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)各以一定的概率同時存在. 通過測量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“ 0” 態(tài)或 “ 1” 態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實(shí)現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第 1 激發(fā)態(tài)（first excited state)、 質(zhì)子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。
一個量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。這里所說的態(tài)空間是指由多個本征態(tài)（eigenstate) （即基本的量子態(tài)）所張成的矢量空間，基本量子態(tài)簡稱基本態(tài)（basic state）或基矢（basic vector) . 態(tài)空間可用Hilbert 空間（線性復(fù)向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài).為了便于表示和運(yùn)算，Dirac提出用符號|x〉 來表示量子態(tài)，|x〉 是一個列向量，稱為ket ；它的共軛轉(zhuǎn)置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert 空間（即二維復(fù)向量空間）的單位向量來描述。
疊加原理
把量子考慮成磁場中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)可能與磁場一致，稱為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場相反，稱為下旋狀態(tài)。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖能將下自旋態(tài)翻轉(zhuǎn)為上自旋態(tài)；那么，我們用一半的能量脈沖，將會把下自旋狀態(tài)制備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態(tài)上（處在每種狀態(tài)上的幾率為二分之一）。對于n個量子比特而言，它可以承載2的n次方個狀態(tài)的疊加狀態(tài)。而量子計算機(jī)的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態(tài)都以并行的方式演化。這意味著量子計算機(jī)如果有500個量子比特，則量子計算的每一步會對2500種可能性同時做出了操作。2500是一個可怕的數(shù)，它比地球上已知的原子數(shù)還要多（這是真正的并行處理，當(dāng)今的經(jīng)典計算機(jī)，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。 [2]
行動計劃 播報
2016年歐盟宣布啟動11億美元的“量子旗艦”計劃；德國于2019年8月宣布了6.5億歐元的國家量子計劃；中美兩國也在量子科學(xué)和技術(shù)上投入數(shù)十億美元。這場競賽旨在建造出在某些任務(wù)上的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)的量子計算機(jī)。2019年10月，谷歌宣布一款執(zhí)行特定計算任務(wù)的量子處理器已實(shí)現(xiàn)這種量子霸權(quán)。
2019年12月6日，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫于索契舉行的技術(shù)論壇上提出國家量子行動計劃，擬5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺實(shí)用的量子計算機(jī)，并希望在實(shí)用量子技術(shù)領(lǐng)域趕上其他國家。 [3]
2022年7月20日，研究人員在《自然》雜志上發(fā)表論文指出，盡管只有一種單一的時間流，但該時段具有兩個時間維度的好處，存儲在該時段的信息比目前在量子計算機(jī)中使用的其他設(shè)置更能防止出錯。因此，這些信息可在不被篡改的情況下存在很長時間，這是量子計算可行性研究的一個重要里程碑。

概念提出
量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計算；稍后費(fèi)曼也對這個問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計算的愿景。1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限于探討計算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。
中期發(fā)展
1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出 ，相對于傳統(tǒng)電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內(nèi)將一個很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個結(jié)論開啟量子計算的一個新階段：有別于傳統(tǒng)計算法則的量子算法（quantum algorithm）確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素，離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。
2019年8月，中國量子計算研究獲重要進(jìn)展：科學(xué)家領(lǐng)銜實(shí)現(xiàn)高性能單光子源。中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領(lǐng)銜，和多位國內(nèi)及德國、丹麥學(xué)者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實(shí)現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學(xué)量子計算機(jī)超越經(jīng)典計算機(jī)奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》發(fā)表了該成果，評價其“解決了一個長期存在的挑戰(zhàn)”。
2021年10月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得重要進(jìn)展，使中國成為世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
2022年3月，量子計算技術(shù)創(chuàng)新中心在合肥建立。
發(fā)展前景
量子計算將有可能使計算機(jī)的計算能力大大超過今天的計算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。
世界上第一臺商用量子計算機(jī)
D-Wave One量子處理器晶圓
加拿大量子計算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實(shí)用型量子計算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。
通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。另外，為盡可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的鈮產(chǎn)生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK）。
量子計算將有可能使計算機(jī)的計算能力大大超過今天的計算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。
2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)由2000個qubit構(gòu)成，可以用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、和采樣等問題。對于一些基準(zhǔn)問題測試，如最優(yōu)化問題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當(dāng)前高度專業(yè)化的算法1000到10000倍。

D-Wave One量子計算機(jī)系統(tǒng)與D-Wave公司創(chuàng)始人兼CTO Geordie Rose
中科大首次研制出非局域量子模擬器
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究組首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了宇稱—時間（Parity-time, PT）世界中的超光速現(xiàn)象。
這一實(shí)驗(yàn)充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。
量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機(jī)，這一概念最早由費(fèi)曼于1981年提出。費(fèi)曼認(rèn)為自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的，只有用遵循量子力學(xué)的裝置，才能更好地模擬它，這個力學(xué)裝置就是量子模擬器。量子模擬器研究中，人們更多關(guān)注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數(shù)越多，它的運(yùn)算能力就越強(qiáng)。 [
華為首次曝光量子計算成果
2018年10月12日，華為公布了在量子計算領(lǐng)域的最新進(jìn)展：量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺問世，平臺包括HiQ量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎(chǔ)研究層面邁出的第一步。
百度推出百度量子平臺
2020年9月15日，“百度世界2020”大會在線上召開，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯發(fā)布了百度量子平臺，展示了百度用量脈+量槳+量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的愿景。他介紹，“百度全新發(fā)布國內(nèi)首個云原生量子計算平臺量易伏，并全面升級量子脈沖云計算服務(wù)系統(tǒng)量脈和量子機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)工具集量槳，通過構(gòu)建以百度量子平臺為核心的量子生態(tài)，開啟量子時代的大門。” 百度量子平臺提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口，百度希望這一平臺扮演量子計算時代操作系統(tǒng)的角色，開發(fā)者和合作伙伴可以通過這一平臺實(shí)現(xiàn)量子計算對行業(yè)的賦能。