量子计算机的发展

邹奕成　毛杰

摘 要 本文介绍了量子计算和量子计算机的基本概念，分析了量子计算比之经典计算的特点，讨论了量子计算机物理上的几种可能实现方法，介绍了量子计算机最新的进展，最后展望了量子计算机的应用前景。

关键词 量子计算 量子计算机 量子位 量子逻辑门 量子算法

中图分类号：O413；TP38 文献标识码：A

1概述

量子计算的概念起源于对可逆计算机的研究。在计算机的发展过程中，能耗制约着集成度，也就制约着计算机的运行速度。1982年，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。1955年，Oxford大学的David Deutsch在发表的一篇理论性论文中，深入研究了量子计算机是否比经典计算机更有效的问题，他定义了量子Turing机，描述了量子计算机的一般模型，预言了量子计算机的潜在能力。1994年，AT&T Bell实验室的Peter Shor发现了因子分解的有效量子算法，从此量子计算的研究进入高潮，全世界范围内的科学家和研究机构针对量子信息技术做了不同方向的探索。

2量子计算机的物理实现方案

2.1核磁共振（NMR，即nuclear magnetic resonance）

核磁共振被认为是当今合成化学领域的一项重要技术，它可以用于除塑料之外所有物质特性的研究。很多年以来，初始状态的制备和计算机结果的测量这两个问题一直阻碍着NMR量子计算机的发展。核磁共振计算机需要大量的分子，唯一的测量结果只能是多分子磁性的总体平均值。值得庆幸的是，1997年这两个问题都已经得以解决，之后，NMR实现方案的研究倍受关注。

2.2腔量子电动力学（QED，即cavity quantum electrodynamics）

腔QED是一种较有发展潜力的通用量子门的实现方案，早在1995年，Barenco和Sleator就提出了实现两量子位控制转动操作的腔QED方案。当原子通过腔体时，适当控制腔体的态以及原子运动的速度，原子态可以发生有条件的改变，从而实现量子计算需要的条件动力学作用。

3量子计算机的应用前景

目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成。1996年，Grover发现了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库N的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。

量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息。而对于量子计算机，由于具有并行计算处理的能力，它可以在短时间内分析大量的数据。

4量子计算机的最新进展

4.1谷歌量子计算机获进展：计算速度提升1亿倍

据电脑报官方微博传出的消息。日前，谷歌量子人工智能实验室宣布了量子计算机最新进展：在两次测试中，D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。一旦被证实，它将掀起新一波科技革命，该进展不仅将导致类似iRobot的人工智能的发展，还能促进美国太空项目的研发。

4.2 D-wave宣布实现1000量子位量子计算机

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D-Wave或其他任何同行开发的产品的量子位。

4.3澳洲取得量子计算机新进展

澳大利亚新南威尔士大学的科学家以迄今最好的成绩创造出两个“量子比特”，并能对其实现完全控制，也就是说可以利用它们编写计算机代码。

新南威尔士大学的研究小组在最新一期《自然-纳米技术》杂志上报告说，他们使用放置在硅芯片中的一个电子和一个磷原子的原子核，实现了量子纠缠，实验取得了2.70的观测值，可信度超过96%。研究人员说，以这样高的“分数”通过贝尔实验，是人们能对量子计算机操作实现完全控制的最有力证明，特别是用量子纠缠实现纯粹量子类型的计算机代码。

参考文献

[1] Feynman RP.Simulating Physics with computers[J].

[2] Feynman R p.Quantum mechanical computer[J].

[3] Deutsch D.Quantum theory，the church turing principle and universal quantum computer[J].

[4] shor P W.Algorithms for quantum computation：discrete logarithms and factoring[A].

[5] Lo Hoi-Kwong，Popescu S，Spiller T.Introduction to quantum and information[J].