量子計(jì)算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(jì)算的新型計(jì)算模式。對(duì)照于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī)；通用的量子計(jì)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)。從可計(jì)算的問題來看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。
基本原理
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。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，對(duì)于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的處理速度。
量子位
量子位（qubit）是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個(gè)位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài). 在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。疊加態(tài)是“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“ 0” 態(tài)又可以是“ 1” 態(tài)，“ 0” 態(tài)和“ 1” 態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在. 通過測(cè)量或與其它物體發(fā)生相互作用而呈現(xiàn)出“ 0” 態(tài)或 “ 1” 態(tài).任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可用來實(shí)現(xiàn)量子位，例如氫原子中的電子的基態(tài)（ground state）和第 1 激發(fā)態(tài)（first excited state)、 質(zhì)子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。
一個(gè)量子系統(tǒng)包含若干粒子，這些粒子按照量子力學(xué)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，稱此系統(tǒng)處于態(tài)空間的某種量子態(tài)。這里所說的態(tài)空間是指由多個(gè)本征態(tài)（eigenstate) （即基本的量子態(tài)）所張成的矢量空間，基本量子態(tài)簡(jiǎn)稱基本態(tài)（basic state）或基矢（basic vector) . 態(tài)空間可用Hilbert 空間（線性復(fù)向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統(tǒng)的各種可能的量子態(tài).為了便于表示和運(yùn)算，Dirac提出用符號(hào)|x〉 來表示量子態(tài)，|x〉 是一個(gè)列向量，稱為ket ；它的共軛轉(zhuǎn)置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一個(gè)行向量，稱為bra.一個(gè)量子位的疊加態(tài)可用二維Hilbert 空間（即二維復(fù)向量空間）的單位向量來描述。
疊加原理
把量子考慮成磁場(chǎng)中的電子。電子的旋轉(zhuǎn)可能與磁場(chǎng)一致，稱為上旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者與磁場(chǎng)相反，稱為下旋狀態(tài)。如果我們能在消除外界影響的前提下，用一份能量脈沖能將下自旋態(tài)翻轉(zhuǎn)為上自旋態(tài)；那么，我們用一半的能量脈沖，將會(huì)把下自旋狀態(tài)制備到一種下自旋與上自旋疊加的狀態(tài)上（處在每種狀態(tài)上的幾率為二分之一）。對(duì)于n個(gè)量子比特而言，它可以承載2的n次方個(gè)狀態(tài)的疊加狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)的操作過程被稱為幺正演化，幺正演化將保證每種可能的狀態(tài)都以并行的方式演化。這意味著量子計(jì)算機(jī)如果有500個(gè)量子比特，則量子計(jì)算的每一步會(huì)對(duì)2^500種可能性同時(shí)做出了操作。2^500是一個(gè)可怕的數(shù)，它比地球上已知的原子數(shù)還要多（這是真正的并行處理，當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，所謂的并行處理器仍然是一次只做一件事情）。
發(fā)展
概念的提出
量子計(jì)算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算；稍后費(fèi)曼也對(duì)這個(gè)問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場(chǎng)演講，勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的愿景。1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計(jì)算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。
中期發(fā)展
1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出 [3]，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段：有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法（quantum algorithm）確實(shí)有其實(shí)用性，絕非科學(xué)家口袋中的戲法。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來執(zhí)行這些量子算法。許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素，離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。
發(fā)展前景
量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在重要的問題是，如何長時(shí)間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時(shí)又能夠在
這個(gè)時(shí)間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。
世界上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)
加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”。D-Wave公司的口號(hào)就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On采用了128-qubit（量子比特）的處理器，理論運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。不過嚴(yán)格來說這還算不上真正意義的通用量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決特殊問題的機(jī)器。通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。另外，為盡可能降低qubit的能級(jí)，需要利用低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的鈮產(chǎn)生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對(duì)零度附近（20 mK）。
量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計(jì)算所存在的一個(gè)問題是，提高所需量子裝置的準(zhǔn)確性有困難。
世界上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)
加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢(mèng)想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號(hào)就是——“Yes,you can have one.”。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。
2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)由2000個(gè)qubit構(gòu)成，可以用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、和采樣等問題。對(duì)于一些基準(zhǔn)問題測(cè)試，如最優(yōu)化問題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當(dāng)前高度專業(yè)化的算法1000到10000倍。
人工智能未來科技創(chuàng)作不易關(guān)注鼓勵(lì)
