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。

　　量子計(jì)算機(jī)，早先由理乍得·費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的。可發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g而資料量也變得龐大。一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理乍得·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生。

　　量子計(jì)算機(jī)，或推而廣之——量子資訊科學(xué)，在1980年代多處于理論推導(dǎo)等等紙上談兵狀態(tài)。一直到1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法后，因其對于現(xiàn)在通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法可以破解而構(gòu)成威脅之后，量子計(jì)算機(jī)變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學(xué)者著力于利用各種量子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

　　量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

　　量子計(jì)算機(jī)對每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。

　　其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

　　按照傳統(tǒng)算法，當(dāng)用戶需要提取某一個(gè)詞組信息或者需要解決一個(gè)問題時(shí)，計(jì)算機(jī)要先把所有可能性列舉出來并驗(yàn)證一遍才能得到正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。

　　量子計(jì)算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計(jì)算與存儲。例如，一個(gè)數(shù)位的經(jīng)典存儲器可以存儲兩個(gè)數(shù)字0或者1，但在某一時(shí)刻這個(gè)數(shù)字要么是0要么是1；而對于量子比特存儲器來說，在同一時(shí)刻，它可以同時(shí)存儲0和1，其存儲和運(yùn)行能力都成指數(shù)上升，一個(gè)250量子比特的存儲器可以存儲的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。

　　想像一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬冊書。但是如果你處于5000萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。

　　這是量子計(jì)算機(jī)公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對其應(yīng)用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是從這個(gè)公司購買的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購買了一臺量子計(jì)算機(jī)，并與NASA共同開展量子計(jì)算機(jī)的研究項(xiàng)目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺量子計(jì)算機(jī)開始就備受爭議。一些學(xué)者認(rèn)為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。

　　量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

　　我們先來看看量子計(jì)算機(jī)在顯示生活中已經(jīng)有了的應(yīng)用以及在未來量子計(jì)算機(jī)到底能夠給我們帶來什么樣的變化和震撼。

　　D-Wave 量子計(jì)算機(jī)-首臺商用量子計(jì)算機(jī)在2007年，加拿大計(jì)算機(jī)公司D-Wave展示了全球首臺量子計(jì)算機(jī)“Orion（獵戶座）”，它利用了量子退火效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。該公司此后在2011年推出具有128個(gè)量子位的D-Wave One型量子計(jì)算機(jī)并在2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預(yù)定了一臺具有512個(gè)量子位的D-Wave Two量子計(jì)算機(jī)。

　　NSA加密破解計(jì)劃

　　2014年1月3日，美國國家安全局（NSA）正在研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)，希望破解幾乎所有類型的加密技術(shù)。投入巨資 投入4.8億進(jìn)行“滲透硬目標(biāo)”

　　首臺編程通用量子計(jì)算機(jī)

　　2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計(jì)算機(jī)正式在美國誕生。不過根據(jù)初步的測試程序顯示，該計(jì)算機(jī)還存在部分難題需要進(jìn)一步解決和改善。科學(xué)家們認(rèn)為，可編程量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。

　　單原子量子信息存儲首次實(shí)現(xiàn)

　　2013年5月，德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，首次成功地實(shí)現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫入一個(gè)銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，并讓其遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。

　　首次實(shí)現(xiàn)線性方程組量子算法

　　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)的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。該研究成果發(fā)表在6月7日出版的《物理評論快報(bào)》上。

　　金剛石建成世界上首臺量子計(jì)算機(jī)

　　2015年12月，以杜教授為首的中國科技大學(xué)研究人員小組建立了一個(gè)新的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以使用相應(yīng)的方式退出體系結(jié)構(gòu)。比起普通二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，這一系統(tǒng)使得能夠進(jìn)行更為大量的計(jì)算。通常，這種系統(tǒng)都需要帶有氣候檢測的特別裝備實(shí)驗(yàn)室，而這一新模型卻能夠在普通的房屋內(nèi)也能夠安全存放。其量子計(jì)算能夠在普通室溫的條件下工作，這是借助于金剛石中少量的氮來完成的。

　　量子計(jì)算機(jī)的未來應(yīng)用

　　1、真正精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)

　　量子計(jì)算公司QxBranch表示：即使擁有非常尖端的分析溫度和氣壓的工具，給定天氣系統(tǒng)的表現(xiàn)形式也具有很大的不確定性，現(xiàn)如今的天氣預(yù)報(bào)只是對未來天氣的一種猜測，只不過這個(gè)猜測是建立在一定基礎(chǔ)上。

　　量子計(jì)算可以在同一時(shí)間對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并告訴我們壞天氣會在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前注意到颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。

　　在量子計(jì)算機(jī)的幫助下可以建立更好的氣候模型，以便人們深入了解人類活動是如何影響環(huán)境的?；谶@些模型，我們對未來氣候的變暖形勢進(jìn)行估計(jì)，并幫助我們決定采用什么樣的措施來避免災(zāi)難的發(fā)生。

　　2、更有效的藥物發(fā)現(xiàn)

　　新藥開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程，化學(xué)家們需要對無數(shù)的分子組合進(jìn)行測試，從而找出有效對抗疾病的分子組合。這個(gè)過程可能持續(xù)數(shù)年，且耗資數(shù)百萬美元?；瘜W(xué)家們還要對這些組合進(jìn)行后期試驗(yàn)，其中的大部分仍以失敗告終。

　　量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并將其中最有可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

　　用量子計(jì)算對人類基因進(jìn)行排序和分析比現(xiàn)有方法更快，可以為更多的民眾提供個(gè)性化藥物治療和醫(yī)療保健服務(wù)。

　　如今，許多藥物不能投入市場，是因?yàn)橛心敲匆恍〔糠秩藢ζ浞磻?yīng)強(qiáng)烈。因此我們經(jīng)常否定一種藥物，盡管它對一些人是有效果的。有了個(gè)性化基因分析和更好的藥理知識后，我們就可以預(yù)見到可能存在的不良反應(yīng)。

　　3、告別交通擁堵

　　量子計(jì)算可以很好地協(xié)調(diào)飛機(jī)航線以及地面交通控制，因?yàn)槠溆?jì)算最佳路線的性能卓越。

　　如果你規(guī)劃了一個(gè)含有10個(gè)不同站的行程，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要單獨(dú)計(jì)算所有可能路線的總長度并挑選出其中最佳的路線。而量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)計(jì)算所有線路的長度，計(jì)算出最佳路線所需的時(shí)間更短。

　　利用量子計(jì)算機(jī)對空中交通模式進(jìn)行深度分析，將帶來更高效的航線安排，可以有效統(tǒng)籌飛機(jī)起飛、降落時(shí)的時(shí)間從而減少出行時(shí)間。

　　同樣的技術(shù)可以應(yīng)用于高速公路、各種復(fù)雜的城市系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（電網(wǎng)等），從而達(dá)到高效、避免擁堵的目的。

　　4、加強(qiáng)軍事力量和國防建設(shè)

　　各式各樣的衛(wèi)星正在不間歇的收集影像數(shù)據(jù)，其數(shù)量之龐大沒有誰能夠?qū)ζ溥M(jìn)行全面檢索，因此很多數(shù)據(jù)只是被扔在一邊。在那部分被我們遺棄的數(shù)據(jù)中，我們可能會錯(cuò)失一些重要的情報(bào)。

　　一臺量子計(jì)算機(jī)對海量數(shù)據(jù)的處理比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)或個(gè)人要快得多，它可以篩選出那些需要進(jìn)一步仔細(xì)分析且往往容易被我們忽視和拋棄的影像。

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不擅長處理“誰在哪？”這類問題。這關(guān)乎識別能力，量子計(jì)算機(jī)能夠像人類那樣，可以很好地從復(fù)雜的背景中找出具體的細(xì)節(jié)。

　　5、安全、加密通信

　　不管我們是否意識到，我們時(shí)刻使用著加密技術(shù)。當(dāng)我們登錄電子郵箱或使用信用卡進(jìn)行網(wǎng)購的時(shí)候，我們都需要依賴加密技術(shù)。利用量子計(jì)算機(jī)卓越的性能可以使加密更安全可靠。

　　這種超級安全的通信方式被稱為量子密鑰分配，當(dāng)彼此之間傳遞信息的時(shí)候，信息只有經(jīng)過密鑰破解后才能正確顯示。如果第三方截獲了密鑰，但由于量子學(xué)的特性，密鑰就會失效從而導(dǎo)致信息不能被準(zhǔn)確讀出。該通信技術(shù)的初步版本已經(jīng)在歐洲的一些地方試用。

　　同樣的，正如量子計(jì)算可以使通信更加安全，量子計(jì)算機(jī)可以非常容易地破解我們現(xiàn)有的加密信息。從斯諾登泄露的國家安全局的相關(guān)文件中就提出該機(jī)構(gòu)計(jì)劃開發(fā)量子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行加密信息的破譯工作。

　　如果一個(gè)黑客（或好管閑事的政府機(jī)構(gòu)）試圖染指量子計(jì)算機(jī)，那么諸如銀行、政府機(jī)構(gòu)等利用老式加密技術(shù)的部門行業(yè)就會深陷危機(jī)。

　　6、加快太空探索的步伐

　　天文學(xué)家們利用開普勒太空望遠(yuǎn)鏡在我們生活的太陽系之外發(fā)現(xiàn)了大約2000顆行星。開普勒搜索需要對準(zhǔn)這些所謂的系外行星，并且還要等到他們從其歸屬的恒星前經(jīng)過。當(dāng)這種情況發(fā)生的時(shí)候，行星會投下陰影，天文學(xué)家借此進(jìn)行分析和預(yù)測其大氣環(huán)境是否適合生命生存。

　　量子計(jì)算機(jī)可以處理任何望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。它甚至可以從舊的影響中發(fā)現(xiàn)系外行星。

　　7、機(jī)器學(xué)習(xí)和自動化

　　量子計(jì)算機(jī)可以像人類一樣從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。它們能夠自我糾正，量子計(jì)算機(jī)可以對一個(gè)錯(cuò)亂的程序代碼進(jìn)行修正。這個(gè)概念被稱為機(jī)器學(xué)習(xí)，這就好比你的Facebook賬號會列出你可能喜歡的內(nèi)容，但是更復(fù)雜。

　　量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力可以幫助我們更快更有效地處理很多事情，利用量子計(jì)算機(jī)對其自身功能的不斷完善，可以引領(lǐng)半自動車輛等更高級別的人工智能。