你在家里打開輕巧的筆記本電

腦，啟動(dòng)它那每秒能夠做20億次運(yùn)算的奔騰Ⅳ CPU的時(shí)候，可曾想到就在不到70年前，人類歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC，每秒只能完成5000次運(yùn)算，而且它還重達(dá)30噸，占地近百平方米，使用了18000個(gè)真空電子管以及總長800公里的電線！

如今，我們已經(jīng)習(xí)慣了每隔1年半，計(jì)算機(jī)的性能就翻一番的令人眩暈的現(xiàn)實(shí)。不過，如果說，其實(shí)你手上使用的筆記本電腦的結(jié)構(gòu)，跟那臺(tái)超龐大的ENIAC一樣！那是否出乎你的意外呢？

是的，70年過去了，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)本身并沒有發(fā)生什么變化，無論是ENIAC還是你的P4電腦，都只是按部就班地處理一串由O和1組成的符號(hào)串，其中O和1分別用某種物理量的兩種不同狀態(tài)來表示。當(dāng)然，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)還能夠做更多的事，比如，把輸出的O和1，轉(zhuǎn)換為生動(dòng)眩目的顯示器圖像。所以計(jì)算機(jī)70年來的進(jìn)步，就只是以印刷在硅晶片上面的微米級(jí)半導(dǎo)體電極代替10厘米長的真空電子管而已。

那么未來的70年呢？計(jì)算機(jī)還會(huì)得到如此迅猛的發(fā)展嗎？回答是肯定的?？茖W(xué)家們靈機(jī)一動(dòng)，巧妙地利用量子物理系統(tǒng)有別于經(jīng)典系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)——除了能夠表達(dá)O和1兩種狀態(tài)之外，還能夠同時(shí)表達(dá)O或者1，只是表達(dá)O具有一定的概率，而表達(dá)1則具有相應(yīng)的概率，這兩個(gè)概率和為1。量子計(jì)算機(jī)的概念宣告計(jì)算機(jī)的發(fā)展將徹底地告別過去70年一脈相承的結(jié)構(gòu)，進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

量子計(jì)算是近年來國際上新興的前沿學(xué)科。按照中國科學(xué)院量子物理與信息研究計(jì)劃學(xué)術(shù)帶頭人郭光燦的解釋，量子是一種“十分玄妙”的東西，他比喻說，如果一只老鼠準(zhǔn)備繞過一只貓，按照經(jīng)典物理理論，它要么從左邊要么從右邊穿過。而按量子理論，它可以同時(shí)從貓的左邊和右邊穿過。量子這種常人難以理解的特性使得具有5000個(gè)量子位（比特）的量子計(jì)算機(jī)，可以在大約30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要100億年才能解決的大多數(shù)因子分解問題。因而，量子計(jì)算機(jī)被視作為最有希望替代目前通用的硅芯片計(jì)算機(jī)的未來之星。

目前量子計(jì)算以及相關(guān)的量子通訊和量子信息領(lǐng)域正在飛速發(fā)展，因此這個(gè)領(lǐng)域也正在吸引越來越多的參與者。隨著主要的障礙已經(jīng)或正在被克服，似乎可以樂觀地估計(jì)，在不久的將來，量子計(jì)算機(jī)會(huì)突然出現(xiàn)在雜志插頁廣告當(dāng)中，然后我們會(huì)突然發(fā)覺自己現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)都已經(jīng)扔在閣樓的雜物堆里好長時(shí)間了，因?yàn)?，那個(gè)時(shí)候已然是量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代了。

量子計(jì)算的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子并行處理上，無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬，都本質(zhì)性地利用了量子相干性。失去了量子相干性，量子計(jì)算的優(yōu)越性將消失殆盡。但不幸的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，量子相干性卻很難保持，其指數(shù)衰減不可避免。量子相干性的丟失就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)，這就是量子錯(cuò)誤。而其他一些技術(shù)原因，例如量子門操作中的誤差等，也會(huì)導(dǎo)致量子錯(cuò)誤。因此，現(xiàn)在研究人員面對(duì)的關(guān)鍵問題就變成，在操作和量子存儲(chǔ)都有可能出錯(cuò)的前提下，如何進(jìn)行可靠的量子運(yùn)算。

縱觀其發(fā)展過程，量子計(jì)算機(jī)研究中最突出的特點(diǎn)是物理學(xué)的原理和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交融和相互促進(jìn)。計(jì)算機(jī)不再是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型，物理原理對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和效率的限制愈來愈引起人們的重視。在1996年，量子糾錯(cuò)理論成為研究中最熱門的課題。21世紀(jì)的量子計(jì)算機(jī)將會(huì)有燦爛的應(yīng)用前景，使信息社會(huì)面貌一新。