鄧智銘

摘要：量子計算機與傳統(tǒng)計算機相比在速度快與節(jié)省材料的同時能夠解決傳統(tǒng)計算機難以解決的數(shù)學(xué)問題.目前，許多國家以及互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司紛紛努力致力于量子計算機的研究與開發(fā)，試圖打開計算機世界的新局面.本文綜述了量子計算機目前的研究進展，并對未來的發(fā)展方向進行分析。

關(guān)鍵詞：量子計算機；量子信息；進展；方向

中圖分類號：O413；TN918 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0232-02

摩爾定律的持續(xù)已經(jīng)超過了半個世紀(jì)，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)逐漸受到了物理限制.除了巨大的耗能外，量子效應(yīng)隨著集成度的提高，當(dāng)晶體管小到只有一個電子的時候，電子將不再遵守歐姆定律，量子效應(yīng)隨即產(chǎn)生.因此，量子計算機的發(fā)展將成為打開計算機新世界的突破口，與此同時，量子計算機高效解決信息的能力和可涉及的領(lǐng)域之廣引起了眾多科學(xué)家的重視，對量子計算機的進展與方向的分析也顯得尤為重要。

1 量子計算機的進展

1.1 量子計算機實驗進展

1.1.1 離子陷體系

離子陷阱利用電極電場，將經(jīng)過超冷處理的離子囚禁在電場里，從而實現(xiàn)量子比特。離子陷技術(shù)在1994年被提出以后，加快了量子實驗的進程。不僅具有較長的相干時間，而且具有高效處理量子比特的能力。量子操控單元技術(shù)的提高與發(fā)展成為了目前的主要方向。與此同時，該體系為信息的特性和物理規(guī)律的有效聯(lián)系提供了一定的研究基礎(chǔ)。

1.1.2 量子點體系

量子點在微加工技術(shù)的前提下，通過半導(dǎo)體二維電子氣構(gòu)造出單電子晶體管。原理上可通過對電子自旋操作處理量子信息，遵守量子力學(xué)規(guī)律，有很大可能性成為未來量子計算機的發(fā)展方向之一。近年來，眾多國內(nèi)外專家學(xué)者紛紛著手于該方向的研究，并取得了一系列實質(zhì)性的突破。盡管如此，量子點體系受周圍環(huán)境的影響，仍難以完整實現(xiàn)其量子相干性，未來還有很長的一段路要走。

1.1.3 腔量子電動力學(xué)體系

量子經(jīng)由原子與微腔之間或光子與微腔之間的相互作用來實現(xiàn)比特之間的耦合。恰是這類腔膜與偶極子的耦合，使量子信息得以操控。不僅光子與原子之間的信息能夠有效傳遞，而且此過程作用速度快，耗時短，推進了量子通信的發(fā)展。但是，量子門直接的連接需要在特別冷的環(huán)境下進行，運用目前的科技手段難以實現(xiàn)。

1.1.4 超導(dǎo)量子電路體系

Josephson作為超導(dǎo)量子電路的核心，分別具有相位，磁通和電荷類型的電路。其中對電路的設(shè)計和外加的電磁信號可分別對Josephson電路進行制定與調(diào)控。加之其優(yōu)秀的擴展性，受到眾多專家學(xué)者的肯定，最有希望提前實現(xiàn)量子計算機信息處理器的物理方法之一。

1.2 量子計算機實驗難點

1.2.1 量子消相干

量子計算的相干性是量子并行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環(huán)境的作用與影響，從而產(chǎn)生量子糾纏。量子相干性極易受到量子糾纏的干擾，導(dǎo)致量子相干性降低，也就是所謂的消相干現(xiàn)象。實際的應(yīng)用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發(fā)展道路。

1.2.2 量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規(guī)律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介于此，量子糾纏技術(shù)被聯(lián)想到量子信息的傳遞領(lǐng)域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現(xiàn)信息的傳遞。

1.2.3 量子并行計算

量子計算機獨特的并行計算是經(jīng)典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經(jīng)典計算機存儲的結(jié)果只有一個。但是量子計算機存儲的結(jié)果可達2n。其并行計算不僅在存儲容量上遠超越了后者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子并行計算的重要性，它的有效應(yīng)用也成為了量子計算機發(fā)展的關(guān)鍵之一。

1.2.4 量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態(tài)不存在復(fù)制的過程，既然要保持量子態(tài)不變，則不存在量子的測量，也就無法實現(xiàn)復(fù)制。對于量子計算機來說，無法實現(xiàn)經(jīng)典計算機的糾錯應(yīng)用以及復(fù)制功能。

2 量子計算機的方向

科技飛速發(fā)展的今天，量子計算機強大的計算能力將會運用到各個領(lǐng)域，也將預(yù)示著計算機世界新局面的到來。量子計算機這個新興的產(chǎn)業(yè)，必將在未來的計算機領(lǐng)域具有重要的地位。

隨著如今AI產(chǎn)業(yè)水平逐步提升，掀起了世界AI的熱潮。量子計算機的超強計算力有望加速AI 產(chǎn)業(yè)的進程，促進未來AI產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。量子計算如今主要用以復(fù)雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，以及基于量子加密的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)。在AI對計算能力的要求逐漸苛刻的同時，量子計算可為此提供其自身超強的計算能力。通過其核心優(yōu)勢進行高速并行計算。

隨著技術(shù)的逐步提升，涉及分子模型領(lǐng)域也將成為一種可能，即精確模擬化學(xué)反應(yīng)的最佳配置后分子間的相互作用。目前經(jīng)典計算機只能對最簡單的分子進行分析，量子計算機可通過其高效的計算能力對復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)做出全面的分析。目前谷歌已經(jīng)在該領(lǐng)域制作出第一個氫分子的量子模擬，假如我們采用這種方法應(yīng)用到更多的分子等物質(zhì)，那將涉及到我們身邊的眾多領(lǐng)域，從新能源到藥品的研發(fā)等。而這正是傳統(tǒng)手段沒有辦法實現(xiàn)的?？梢婋S著量子計算機的發(fā)展，更高效的產(chǎn)品將會出現(xiàn)在我們的生活中。

3 結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，量子計算機以強大的計算在未來的發(fā)展過程中必定占有一定的比重。盡管如此，該技術(shù)的完整實現(xiàn)仍存在眾多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。世界各國仍需加大研究力度，不斷完整體系，尋求突破，以此獲得更大的研究成果，盡可能地實現(xiàn)量子計算機的應(yīng)用。

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