什么是量子计算机

量子计算机在处理特定问题时具有远超经典计算机的能力优势，这是因为它具有并行计算的能力。

量子计算机是一种使用量子力学的计算机，它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。所以说，量子计算机是一种计算机，但它不是简单的“进阶版”计算机。和我们现在所理解的“电脑”差别很大——两者的计算形式不一样。

举个例子：如果经典计算机是蜡烛，量子计算机就是电灯泡，二者都是为了发光，但是点亮方式不同、照亮范围也有区别。即使你不断改良蜡烛，也做不出来电灯泡。

经典计算机的计算是用一系列的0和1来存储信息。0和1系列中的每个单位被称为比特，一比特可以被设置为0或1；量子计算机是用用量子比特来存储信息。每个量子比特不仅能设置为1或0，还可以设置为1和0。

量子计算机能够同时承载更多内容。普通的计算机单元一次只能处理一个比特；量子计算机则可以一次处理1个“量子比特”，从而使处理速度大大提升。

量子计算机不光有强大的储存能力，它的并行计算的能力也十分强大。就像在房间内开灯，光可以在一瞬间穿过墙壁上的所有缝隙。量子计算机能够进行高速并行的量子计算，就是这个原理。

量子计算：突破传统计算瓶颈、拥有指数级计算能力。

突破传统计算瓶颈

计算机发展的瓶颈主要有两个。首先，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

量子计算机的出现，巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说，从原理来看，量子计算机是可逆计算机，不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机，不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。

拥有指数级计算能力

中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说，量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的某一个；若它是量子存储器，则它可同时存储2N个数据。而且随着N的增加，其存储信息的能力将呈指数级上升。

量子计算不仅可应用于人工智能领域，提升机器学习效率，还能应对复杂情况，如实现天气的精准预测。生活中的诸多不便如交通拥堵，也能依靠其算法解决。

“（量子计算）发展非常迅速。”丁洪说，以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度，可能三五年后就会出现。</p><p>目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日，IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作，共同开发商用量子计算。

量子计算机原理

量子计算机的核心部分在于离子电磁阱作用，通过核磁共振给通电的离子电磁阱热浴使原子能级中的量子位对齐形成离散能级谱，而晶格中的原子、离子经过光学谐振腔作用使原子、离子进行受激辐射组成量子线路，随后因在超导环境中的低熵状态下使量子不易流失从而利于纠错。

那为什么量子计算机存在“1和“0”同时占有一个位置（叠加态），先从环绕原子的电子说起，一个原子基态的一条轨道上只存在互为相反方向运动的两个电子，这就是同一条轨道同时存在“0”和“1”两个电子的原因。而量子线路原理，激发态与基态能够互为交换电子是因为光学谐振腔中的激光辐射使基态与激发态中的电子轨道发生弹性跃迁或互换，同时也可使原子之间的电子云发生偏振。而量子线路中的电子能级跃迁或互换的规律被称为互换闸，一个能级电子的旋转规律被称为旋转闸。

离子电磁阱中的原子量子位元能级的不同是线性的，代表着有多少能级相当于多少几何空间，最外层包裹一直到最里层称为几何空间数学图形。而在低温超导环境的超导元器件中，由于它的晶格原子能级电子在极低温的环境因超导迈斯纳效应原子周围的磁矩吸引力变强了，有效的防止了量子去相干性的发生，有效的控制了量子围绕原子的规则，并利于纠错码纠错。

如何运用纠错码原理纠错量子码，一个能级的所有电子对是有限的，而能级的层数也是有限的，我们以每个能级的电子对个数分为两部分，一部分能级的总电子对数分为奇数码，另一部分能级的总电子对数分为偶数码，这是纵向分部。而横向分布则为所有能级中每个能级的一个电子对与所有能级的各电子对互相连接，所有能级的每个能级的每个电子对一部分为奇数码，另一部分为偶数码。当其中一个电子对消失后这行这列就少了一个0和1叠加数，而如果是电子对中的一个电子退相干，那么剩下一个电子必然会找到其他电子形成电子对，然而始终会少一个0或1，这样也就方便查询。

而为了使大量晶格中的离子电磁阱连接，需要用到激光器和激光干涉仪以及分光镜，作用于连接所有的离子电磁陷阱。

极化码原理

极化码原理，在信道中分为0和1信道，极化码通常以0或1两端极化无限分类，趋向于末端1的传输信息比特，趋向于末端0的传输于冻结比特，信息比特是通过N个子信道无限信道分解，分解的子信道一端向1的信道中无限组合称为传输新信息的信道。另一端N个子信道分解无限趋于0的称为冻结信道它包含相互已存在的信息。

通过以极化码的形式编码，在极化码编码完成后开始解码，极化码在香农信道中更接近极限，趋于冻结信道传输于表面知识，趋于信息信道传输内部消息，通常组合信道在趋于1时通过滤波功能使信道频率完美接近无噪声，另一端则无限分解直到0，所有趋于0的子信道会被自动删除，所以不用提供滤波功能。

我们先使信息比特做CRC寄存器检验列出信息比特序列，再使信息比特进行极化码编码，完成编码后极化码通过SCL编译时，SCL选择了极化码多条有效路径并进行路径保留（实际上极化码有效路径只有一条）通过CRC寄存器检验路径与之前CRC检验信息比特序列之间以商的形式对比（等于完全相同0的商）

以对比的检验码和有效信息比特同时发送给接收方在解码时由于信道中其他的赫兹波频（闪电）对正常信道产生干扰造成的误差率影响了有效信息比特产生了错误传输，就可以通过检验码对信息比特进行反复纠错，以重新自动传送有效信息比特来达到正确解码。

1、相比传统计算机物理硬件上，使用晶体管表示0或1的比特二元状态；量子计算机的硬件可以以两种状态存在。量子比特这种“叠加”的特性，使得量子计算可以沿多条路径前进，而传统计算机一次只能选择一条路径。

量子比特的数字表示方法与传统的完全不一样，一个量子比特包含多个可能的值。

2、量子的“纠缠”和“干涉”的特性，可以一次性的验证量子比特里哪个结果是正确的。

量子比特里包含的多种信息，可以一次性的得出哪个数字是对的。

量子计算机的新闻铺天盖地，作为小白的我们，那些术语看来看去，有点摸不着头脑。我们试着用直白的语言，来简单的说说，量子计算机为什么要比传统计算机快？

量子计算机怎样工作？

传统计算机使用晶体管的特性（类似于开关），其有两种状态，要么开，要么关。这个基本的一个单位，我们称之为比特，在数学上，可以用二进制的0、1来表示。这是计算机最底层硬件的信息表示方式。

而量子计算机，使用量子“叠加”、“纠缠“、”干涉”的物理特性，进行计算而设计的硬件。相对于传统计算机的二进制，量子计算机需要特殊的算法来实现数学的运算。这些数学算法不是小白重点关注的问题，我们一起来看看为什么它很快。

举个例子

我们来看一个查找正确密码的例子：

传统计算机与量子计算机怎么工作？

一个4位比特的密码，在传统计算机里，这个4位比特密码，有16种可能。那究竟哪一个是正确的密码呢，需要计算机一个一个的进行比对，直到比对出正确的那个密码为止。

而量子计算机是怎么工作的呢？一个4位的量子比特，它包含了16种可能的密码。在判断哪个是正确的密码时，把这个4位量子比特给量子计算机，量子计算机能一次性的比对出哪个是正确的密码。

只需一次！是不是比传统计算机少了很多的判断循环？

棋盘麦粒问题

有小伙伴就说了，那才少了15次循环嘛。

如果这个密码很大，有64位呢，那就有2的64次方(2^64)种可能。

2的64次方多大？想象不出来。用数字来表示就是1844万亿还有多。

如果判断1844万亿次，得需要多长的时间啊。有小伙伴说，那可以很多个判断任务一起来计算嘛，这样不就快很多了么。

引用一个例子：

超级计算机与量子计算机破解RSA密码需要的时间

要破解常用的一个RSA密码系统，用现在最强大的超级计算机需要花60万年，但用一个有相当储存功能的量子计算机，则只需花上不到3个小时！

量子计算机，在解决类似与最优路径等计算时，也可以发挥出它的长处。

走出迷宫的最佳路径

量子计算机发展到什么程度了？

现在最稳定、最大的量子计算系统，还没有实用价值。量子状态的稳定和操作，现今还是一件很困难的事。因为量子状态容易被破坏、量子特征持续有限等原因，量子计算的研究还在发展中。

如果某一天这些问题都很好的解决了，也就是所说的“量子霸权”，量子计算就能派上大用场，经典加密技术在它面前会不堪一击。当人工智能、机器学习与量子计算结合，可能会有很大的突破。

让我们从认论的角度来理解，这是认知三态在在科学技术中得到了验证。所谓认知三态就是偶然性未发生之前的可能性，这样说太抽象。换句话说，就是显性、隐性、与或显或隐的可能性。当显性被确认，可能性消失，隐性消失。当隐性被确认，可能性消失、显性消失。这种现象在人们的生活中是经常出现的。只是人们没有注意这种现象。譬如猜谜游戏、抛币游戏，掷骰子游戏，都存在人的认知三态现象。攥拳头的手未伸开之前是猜谜者所处的叠加态，未落下的硬币是一种叠加态，正在摇动的骰子是一种叠加态。认知三态的叠加态有一种二选一的可能性。鼠标未点击之前存在叠加态，点击后，被点击的确认态被得到确认的同时抛弃叠加态，这是一种信息确认跷跷板，一头高另一头必然低。在量子在已知一端失去量子，另一端必然增加量子，一端增加量子另一端必然失去量子。这才能与二进制的0/1相吻合。

1947年，美国计算机工程师霍华德·艾肯说，只需要六个比特位的电脑将能够满足世界的所有计算需求。当然，霍华德没有想到科学研究以及人们生活会产生如此大量数据，个人电脑的激增和互联网的出现，这些都推动了我们对计算能力的需求。

如果按照摩尔定律的规定，微处理器上的晶体管数量每18个月继续增加一倍，那么2020年或2030年将发现微处理器上的电路在原子尺度上进行测量。而到达原子尺度则不可控，所以我们的下一步是创造量子计算机，它将利用原子和分子的力量来执行记忆和处理任务。

图灵于20世纪30年代开发的 图灵机 是一种理论设备，由无限长度的磁带组成，分为小方块，每个方块可以包含符号（1或0）或留空。读写设备读取这些符号和空白，从而为机器提供执行某个程序的指令。

这听起来很熟悉吧？

那么，在 量子图灵机 中，区别在于磁带存在于量子状态，读写头也是如此。这意味着磁带上的符号可以是0或1或0和1的叠加态；换句话说，符号同时是0和1（以及其间的所有点）。普通的图灵机一次只能执行一次计算，但量子图灵机可以同时执行多次计算（2的n次方）。

今天的计算机，通过操纵存在于两种状态之一的位来工作：0或1。量子计算机不限于两种状态；它们将信息编码为量子比特，它们可以叠加存在。量子点代表原子、离子、光子或电子以及它们各自的控制设备，它们一起工作以充当计算机的存储器和处理器。因为量子计算机可以同时包含这些 多个态 ，所以它有可能比当今最强大的超级计算机强大数万倍。（例如，一个500量子位的计算机，它每一步就可以实现多达2的500次方的运算）

举个简单的例子，拿我国的 天河二号 超级计算机来比较，一个需要 天河二号 运算100年的计算，换为量子计算机的话，理论上只需要002秒的时间。

量子比特的叠加使量子计算机具有固有的并行性。根据物理学家David Deutsch的说法，这种并行性允许量子计算机同时处理一百万次计算。一个50量子比特位计算机将等同与传统超级计算机的处理能力，该计算机可以以每秒数万亿次浮点运算运行。今天通用的家庭台式计算机以每秒数十亿次浮点运算的速度运行。

在量子计算机的研发过程中，有 两大难题 需要突破，一是算法的确定，二是要选择合适的材料和制造条件，来制造出量子计算机。

首先在算法方面，由于量子计算机完全不同于现有的计算机系统，因此，它的整个算法都要重新研究确定，其中由贝尔实验的美国科学家 彼得秀尔 所提出的 秀尔算法 被广泛采用。

由于量子计算机系统环境的要求极为苛刻，环境的热辐射、电磁辐射和材料缺陷都会引起计算错误，因此，人们一直在寻求最适合的材料。 1 超导材料铌，这个材料需要主机被液态氦冷冻到0005K，即零下273145摄氏度（比较成熟）， 2 稀土金属，例如镨（探究中）。

计算机科学家通过使用控制设备控制在量子计算机中充当量子位的微观粒子。

离子阱使用光学或磁场（或两者的组合）来捕获离子。

光阱使用光波来捕获和控制粒子。

量子点由半导体材料制成，用于包含和操纵电子。

半导体杂质通过使用半导体材料中的"不需要的"原子来包含电子。

超导电路允许电子在非常低的温度下几乎没有电阻地流动。

下面，将介绍量子计算领域的一些最新进展

2001年来自IBM和斯坦福大学的科学家在量子计算机上成功演示了Shor算法。Shor算法是一种寻找数字素数因子的方法（在密码学中起着固有的作用）。他们使用7比特的计算机来找出15的因子，计算机正确地推断出素因子是3和5。

2005年因斯布鲁克大学的量子光学和量子信息研究所宣布他们使用离子阱创造了第一个8量子比特位的计算机。

2006年滑铁卢和马萨诸塞州的科学家们设计了一种12比特系统的量子控制方法。

2007年加拿大初创公司D-Wave展示了一款商用16量子比特位的计算机（猎户座）。计算机解决了数独谜题和其他模式匹配问题。该公司声称它将在2008年之前已生产出了实用的系统。

2015年3月 谷歌发布了首款达到 9量子位的芯片 ，该产品基于量子纠缠协议和线性结构进行设计，并利用名为"基偶校验"的检查方法，通过测量每个量子位的相互作用来追溯计算过程，从而降低因量子纠缠现象导致的计算错误率。

但量子计算仍处于早期发展阶段，许多计算机科学家认为创建实用的量子计算机所需的技术还需要数年时间，量子计算机必须有50量子比特才能解决现实问题。

是把计算机分为两个主要的单元，第一个是计算单元，第二个是存储单元。计算单元就是CPU，存储单元分为三种，一种是CPU里的高速缓存、内存和硬盘。计算机把静态的数据存在存储单元里，如果需要改变数据，则调入到CPU里计算，然后将结果再存进存储单元。我们用这两个单元来理解电子计算机的硬件结构。

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