展望量子計算機在未來科學中的應用

周博深

摘要近些年來，科學家們在量子技術方面先后取得了卓越的研究成果，而量子計算機作為量子力學和計算機的結合，被視為從根本上改變?nèi)祟愇磥戆l(fā)展的新興技術，被科研人員稱作替代硅芯片計算機的“未來之星”，是目前信息科技領域研究的熱點。本文將會對量子計算機的現(xiàn)狀進行簡單介紹，并對量子計算機在未來科學中的應用進行展望。

關鍵詞量子計算機；現(xiàn)狀；未來應用

量子計算機相較于現(xiàn)有的計算機來說，其信息存儲和處理能力都有著質的飛躍。Steve_Jurveston是Draper Fisher-Jurveston投資公司的常務董事，也是領先量子計算機公司D Wave Systems的早期投資者，他把量子計算機計算速度迅速提升的定律稱為羅斯定律。和摩爾定律預言半導體處理器的發(fā)展速度一樣，羅斯定律也預言了量子計算機的發(fā)展速度，只不過后者的速度要比前者快得多。相較于量子計算機的理論研究來說，在實際應用雖然存在一些問題，但是其在未來科學中有著巨大的發(fā)展前景。本文就此對量子計算機進行分析。

1量子計算機的基本概念及發(fā)展歷程

基本概念：量子計算機，顧名思義，就是實現(xiàn)量子計算機的一種計算機器。其主要有以下2個特點，其一是將輸入態(tài)和輸出態(tài)進行一般的疊加態(tài)，并且這兩者之間通常不相交；其二是在量子計算機中的交換為所有可能的正交換，在得出結果后，對輸出態(tài)進行一定的測量。

發(fā)展歷程：量子計算機最早由理乍得·費曼提出，早先量子計算是從一種物理現(xiàn)象中模擬而來的，在模擬過程中經(jīng)過一系列的驗證、研發(fā)而得出了量子計算機概念；在1980年，量子計算機仍處于紙上談兵的理論階段，直到1994年量子質因子分解算法被提出，加快了量子計算機研發(fā)的進程；現(xiàn)如今，量子計算機已經(jīng)基本研發(fā)成型，并逐漸被應用在各行各業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活帶來了便捷。

2量子計算機目前的發(fā)展狀況

量子計算機作為一種新型的運算工具，它有著強大的并行處理數(shù)據(jù)的能力。可以解決現(xiàn)有計算機很多難以解決的問題?，F(xiàn)如今的量子計算機打破了傳統(tǒng)計算機以運算器為中心，運行輸入與輸出的模式，創(chuàng)新性地將輸入與輸出相互疊加，在所有運算完成正變換之后再對輸出態(tài)進行一定的測量，這大大加快了機器的運行速度。量子計算機與傳統(tǒng)計算機相比具有明顯的進步和優(yōu)勢，其研究領域如圖1所示，但是在實際應用中仍然存在一些問題，現(xiàn)從這兩個方面對量子計算機的現(xiàn)狀進行分析。

2.1量子計算機的優(yōu)勢

量子計算機的優(yōu)勢首先體現(xiàn)在運算速度上，傳統(tǒng)計算機對數(shù)據(jù)的處理是串行處理，只能處于0或1的二進制狀態(tài)。而量子計算機是并行處理，它采用的是量子比特，可以同時處于多個狀態(tài)，這就使得它能夠同時執(zhí)行多重運算?？梢哉f量子計算機相較于傳統(tǒng)計算機的運行速度就好比傳統(tǒng)計算機相較于算盤。

此外，量子計算機的并行處理大大地提高了計算機的工作效率，使其在一定情況下可以完成傳統(tǒng)計算機所無法完成的運算。例如，對一個很大的自然數(shù)進行因子分解，量子計算機利用相干性原理可以對自然數(shù)進行超快計算，其運算速度是傳統(tǒng)計算機所無法比擬的。當然，量子計算機所具有的存儲大、能耗低、精確度高、壽命長等優(yōu)勢也不容小覷，這說明在運算過程中，量子計算機存在著巨大的發(fā)展空間。

2.2量子計算機存在的問題

1）量子相干性很難保持。量子計算機的優(yōu)勢體現(xiàn)在并行處理上，而其本質上利用了量子相干性。但是在實際應用中，由于量子計算機執(zhí)行運行的量子比特不是一個孤立的系統(tǒng)，會與外界相互作用，作用結果就很容易消相干，因此量子相干性難以長時間保持，這影響了量子計算機在快速運算的良好效果，常會出現(xiàn)運算中斷等運算故障。

2）量子糾錯。量子現(xiàn)象非常脆弱，因此，在運算過程中依靠量子特性計算的運算過程容易出錯，再加上其傳播速度快，很容易對計算機的運行造成干。并且量子比特極其復雜，是多方面運算而不是對其簡單的復制，所以在進行糾錯時會更加困難。

3）量子芯片有待突破。量子芯片是實現(xiàn)量子計算的硬件，對量子計算機來說是非常重要的。就目前來看，選擇什么材料來做量子芯片、做到什么程度仍然是科研人員需要深入研究的內(nèi)容。

3量子計算機在未來科學發(fā)展中的應用

與量子計算機的研究理論相比，其實際應用開展則較為緩慢，但是就目前來看，量子計算機不管是在功能，還是在其模擬運算上都將會遠遠超過傳統(tǒng)計算機，可以說量子計算機迎來了發(fā)展的大好時代，其在未來科學發(fā)展中的潛力是不可估量的。以下幾個方面是其主要發(fā)展方向。

3.1量子計算

量子快速計算，是量子計算機的主要優(yōu)勢點，也是重要的潛力點。量子計算是一種潛在的變革，它會在未來科學中幫助我們解決現(xiàn)在看來不可能或者不切實際的難題?？蒲腥藛T在對量子計算機的加密系統(tǒng)的研究中也發(fā)現(xiàn)了量子系統(tǒng)具備良好的潛在實用價值，它可以解決目前無法解決的物理和量子化學難題。例如科學家在進行物理和化學的研究時，量子計算可以幫助科學家在實驗室設計出新材料和新藥物，提高了研發(fā)效率。此外，量子計算機還能夠快速處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫和大規(guī)模存儲多樣化、非結構化的數(shù)。這將會改變?nèi)藗兊臎Q策方式并幫助科研人員取得重大科研發(fā)現(xiàn)。

3.2量子密碼

在量子領域，量子密碼可能是第一個走向實際應用的方向，而對人類影響最大的當屬量子計算機。量子計算機能夠和GFoveF搜索破譯密碼，同時也提供了一種保密通訊的方式。在利用EPR對量子通訊進行實驗時發(fā)現(xiàn)，只有擁有對的EPR的一方才能夠完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息做到真正的保密通訊。

3.3量子信息處理

量子計算機相較于傳統(tǒng)計算機，其信息處理能力更強，能夠做到很多傳統(tǒng)計算機做不到的事。比如利用量子計算機能夠將某種病毒體內(nèi)的各種成分分析的清清楚楚，幫助科研人員制造出有針對性的強力藥物，除此之外，量子信息處理系統(tǒng)還可以在很短的時間內(nèi)根據(jù)觀測的信息計算出某地地震的概率，給決策層提供一些線索，有利于減少自然災害所帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失。在天氣預報方面也同樣能夠提供更加精確的預測，給人們的生產(chǎn)生活帶來便利。

4結論

相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機不僅在外形和材料上有很大突破，其還具有海量的計算能力和無限的未來，量子計算機因此也成為各國戰(zhàn)略的重中之重。而在國家的戰(zhàn)略重視和支持下，我國在量子計算機的研究方面也取得了重大進展。在未來，量子計算機必將更加完善，會從實驗室走向人們的生活，取代傳統(tǒng)計算機并改變?nèi)祟惿鐣拿婷玻瑤椭茖W家完成更多的研究，助力人類更好地探索無限可能的未來。