量子计算机的现状及发展趋势

2017年2月21日下午，《麻省理工科技评论》(MIT Technology Review)2017年全球十大突破性技术”中国大陆地区首发，其中量子计算机技术入选其中，量子计算机技术是一个充满魅力的科学领域，同时也是一门具有挑战性和研究性的课程，这就是许多科学家被它所吸引的原因之一。量子计算机能够分析的科学多种多样，对各个学科的分析详细到位，需要用到量子计算机的课程一般是物理学、材料分析学、信息科学、生物学等，所以量子计算机所涉及的领域很广，值得科学家们去开发和进一步研究。

量子计算机的特点包括运行快、处理信息的能力强、适用的范围广等。相比普通的计算机而言，信息的处理量越多对量子计算机的运算就越有利，更能保证运算的精确性，而普通的计算机对于信息的处理速度就比较慢，难于满足人们的需求。量子计算机的发展速度目前虽然比普通的计算机缓慢，但是明显比普通计算机更能引起人们的注意，最大的原因就是其拥有很强的适用性，能够提高人民的生活水平，改善人们的生活方式。

量子计算机和许多计算机一样都是由许多硬件和软件组成的，软件方面包括量子算法、量子编码等，在硬件方面包括量子晶体管、量子储存器、量子效应器等。量子晶体管就是通过电子高速运动来突破物理的能量界限，从而实现晶体管的开关作用，这种晶体管控制开关的速度很快，晶体管比起普通的芯片运算能力强很多，而且对使用的环境条件适应能力很强，所以在未来的发展中，晶体管是量子计算机不可缺少的一部分。量子储存器是一种储存信息效率很高的储存器，它能够在非常短时间里对任何计算信息进行赋值，是量子计算机不可缺少的组成部分，也是量子计算机最重要的部分之一。量子计算机的效应器就是一个大型的控制系统，能够控制各部件的运行。这些组成在量子计算机的发展中占领着主要的地位，发挥着重要的运用。

量子计算机相比普通的计算机拥有很明显的优势，量子计算机的计算速度快、计算更准确，所拥有分析信息的功能更强大，能够同时进行的运算多；它能够轻易战胜目前的RSA 公钥密码体系，在拥有这么强大的运算能力的背后不仅仅是以往 0 和 1 信息单元的储存能力和运算能力的运行，而是 0 和 1 的升级，正是这种升级，使得量子计算机的运算速度超过普通计算机运算速度的 10 倍。这种信息单元的升级让量子计算机在国防领域也能够得到很好的应用。量子计算机拥有非常小的计算芯片，在节省材料的同时也带来了强大的运算能力，非常有利于携带。

量子计算机的发展趋势受到多种情况的影响，除了以上提到的军事方面，就是量子计算机本身的组成部分，与计算机运算能力直接挂钩的就是中央处理系统，一个好的中央处理系统是一部计算机的灵魂，量子计算机的芯片很小，在以后的发展中会追求更小、更全面，在发展量子计算机芯片这方面科学家们一直希望能够从现在半导体晶体管时代突破到摩尔时代。美国作为第一个涉足量子计算机领域的国家，对量子计算机方面的研究非常深入，中国作为一个发展中的大国，在国家的大力支持和研究人员不断的努力下，在量子计算机研究方面取得了巨大的进步，已实现了量子计算机实际应用零的突破。但是这还远远不够，需要将其应用到各个领域，实现量子计算机的全面化应用。

量子计算机拥有强大的量子信息处理能力，对于目前多变的信息，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。运用这种方式就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。

目前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。

目前国内和国外所面临的量子计算机的挑战主要是以下四个：

(1)量子计算机必须要用到的量子算法问题，是量子计算机的核心之一，没有了量子算法，量子计算机的强大功能就体现不出来，从而无法发挥量子计算机的真正能力，随着研究的不断深入，近几年也得到了突破，但是仍然存在一些问题，需要进一步去研究与攻克。

(2)量子编程，专业人员还称之为量子编码，量子编码是为了避免量子计算时错误的计算发生，也是确保量子计算机能够正确运算的有利保证，没有量子编码，就没有量子算法，这两者必须相互作用才能最大发挥量子计算机的功能。

(3)实现量子计算机的各类系统，对于不同的量子系统需要做到搭载不同的信息，编写更多的量子编码，改变量子算法，由于量子计算机所涉及的领域广阔，所以这方面的设计仍然面临很大的挑战，虽然许多科学家在不断研究，但是取得的成果和收获并不足。

(4)量子计算机目前的算法单一，还不能同时搭载和运行多种算法，例如，在量子算法中有一种叫做量子退火的算法，某种量子计算机搭载这种算法以后就不能再去搭载其他的算法，这就是目前量子计算机的缺陷和所要攻克的问题之一，值得一提的是这种量子退火算法仍然不能够运用，在模拟的情况下能够勉强试用，由此可以看出量子计算机的研究还停留在比较初级的水平。 量子计算机的发展趋势目前美国和其他国家对量子计算机的研究深入，他们拥有着世界上量子计算机的先进技术，但是他们的技术保密性也很强，美国把量子计算机的技术重点运用于军事，力求把量子计算机全方面用于军事改革，从而提升自己的军事化力量。

最近，科学家用量子计算机先输入相关信息，然后设置为最低的旅行消费，最后设置为最短的旅行时间，结果在按下输出键时马上出现了多个模拟的方法。这种量子计算机技术被称为量子计算机的路径选择，功能的强大之处就是能够模拟生物中各种材料的合成方法，寻找到最合适的方法，且能够进行化学的元素分析。如今越来越多的事实都表明了量子计算机将会扮演着越来越重要的角色、承担很多的责任。

在 2017 年，我国通过自己的努力，迎来了真正属于中国制造的量子计算机，这台量子计算机是中国科学技术大学的潘建伟教授和其他同事的共同成果。其是超越世界上第一台早期经典计算机的光量子计算机。这台量子计算机的一大片光量子才相当于普通计算机的一个 CPU，但是这些光量子所构成的 CPU 却超过普通计算机运算速度的 24 000 倍。除了在量子计算机的研究方面取得突破以外，量子计算研究领域也取得重大成果，打破了此前由美国航空局保持的 9 个超导量子比特的记录。这些进步不仅仅是科学家们的研究成果，也是中国在量子计算机研究领域迈进的一大步。

通过对目前国内和国外的量子计算机技术的研究分析，不难发现我国的量子计算机技术还明显落后于其他国家，需要不断克服研究中的各种困难，争取在量子计算机研究方面取得进步。我国量子计算机目前处于举步维艰的情况，在这种情况下需要多借鉴国外的一些研究方法，运用自己的优势取得突破性的进展，实现量子计算机的全面应用。

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