量子計算（Quantum Computing）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)；而通用的量子計算機(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)。

1982年，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼教授提出了量子計算的概念，并指出以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的計算機(jī)在處理特定問題時，具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的能力優(yōu)勢。90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計算技術(shù)發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

量子計算的主要原理就是利用了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在經(jīng)典計算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每個經(jīng)典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。

當(dāng)計算機(jī)有n個存儲器時，傳統(tǒng)計算模式每操作一次只能變化一個數(shù)據(jù)，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數(shù)據(jù)，量子計算的數(shù)據(jù)處理能力是傳統(tǒng)模式的2^n倍。當(dāng)n足夠大時，量子計算的優(yōu)勢將十分明顯。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機(jī)尚未走向大規(guī)模實用。

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)。

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和更重要作用。因此，量子計算領(lǐng)域近年異常熱鬧，許多科研機(jī)構(gòu)都已進(jìn)軍量子計算領(lǐng)域。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等美國科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過不同技術(shù)路徑不斷實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發(fā)了量子計算系統(tǒng)，它花費(fèi)約200秒完成的任務(wù)，而傳統(tǒng)超級計算機(jī)要1萬年才能完成。

谷歌研究人員最近借助量子計算系統(tǒng)，首次成功模擬了一個化學(xué)反應(yīng)。他們表示，盡管這一反應(yīng)很簡單，但卻是量子計算系統(tǒng)走向?qū)嵱没闹匾徊剑欢孔佑嬎阆到y(tǒng)模擬化學(xué)分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術(shù)的公司也在研究，微軟就是其中一員。

今年7月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計算幫助化學(xué)家尋找催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醛。展示了量子計算與化學(xué)結(jié)合的應(yīng)用前景。未來可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來模擬更復(fù)雜的反應(yīng)。而要模擬更大分子的反應(yīng)，還需要更多的量子比特。

中國百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計算云平臺，使普通用戶也能通過云技術(shù)使用量子計算。

最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與德國海德堡大學(xué)和意大利特倫托大學(xué)的研究人員在量子計算方面取得新突破。他們開發(fā)了一種專用的量子計算機(jī)，通過操控束縛在其中的超冷原子，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理。

量子計算通常分為通用量子計算和專用量子計算兩類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，后者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學(xué)術(shù)主要集中于專用量子計算領(lǐng)域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用于先進(jìn)武器設(shè)計和雷達(dá)開發(fā)測試等領(lǐng)域。

中國著名學(xué)者周海中教授曾經(jīng)說過：計算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能，而且是整個科學(xué)的基本工具?？梢哉f，量子計算是一種新的且有用的工具。毫無疑問，作為新型計算模式，量子計算將在各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

文/李陽（作者單位：丹麥技術(shù)大學(xué)信息技術(shù)和數(shù)學(xué)建模系）