量子計(jì)算（Quantum Computing）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)；而通用的量子計(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)。

1982年，美國(guó)著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼教授提出了量子計(jì)算的概念，并指出以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)在處理特定問題時(shí)，具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力優(yōu)勢(shì)。90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

量子計(jì)算的主要原理就是利用了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為計(jì)算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在經(jīng)典計(jì)算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每個(gè)經(jīng)典存儲(chǔ)器僅能存儲(chǔ)0或1其中一個(gè)，而量子存儲(chǔ)器卻能同時(shí)存儲(chǔ)0和1。

當(dāng)計(jì)算機(jī)有n個(gè)存儲(chǔ)器時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算模式每操作一次只能變化一個(gè)數(shù)據(jù)，而量子計(jì)算模式每操作一次則變化了2^n個(gè)數(shù)據(jù)，量子計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力是傳統(tǒng)模式的2^n倍。當(dāng)n足夠大時(shí)，量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)將十分明顯。但目前人類能同時(shí)操縱的量子比特還不多，量子計(jì)算機(jī)尚未走向大規(guī)模實(shí)用。

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，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)。

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和更重要作用。因此，量子計(jì)算領(lǐng)域近年異常熱鬧，許多科研機(jī)構(gòu)都已進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域。

在量子計(jì)算賽道，谷歌、微軟、英特爾等美國(guó)科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，通過不同技術(shù)路徑不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基于一個(gè)包含54個(gè)量子比特的量子芯片開發(fā)了量子計(jì)算系統(tǒng)，它花費(fèi)約200秒完成的任務(wù)，而傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬(wàn)年才能完成。

谷歌研究人員最近借助量子計(jì)算系統(tǒng)，首次成功模擬了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。他們表示，盡管這一反應(yīng)很簡(jiǎn)單，但卻是量子計(jì)算系統(tǒng)走向?qū)嵱没闹匾徊剑欢孔佑?jì)算系統(tǒng)模擬化學(xué)分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計(jì)算技術(shù)的公司也在研究，微軟就是其中一員。

今年7月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計(jì)算幫助化學(xué)家尋找催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醛。展示了量子計(jì)算與化學(xué)結(jié)合的應(yīng)用前景。未來可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來模擬更復(fù)雜的反應(yīng)。而要模擬更大分子的反應(yīng)，還需要更多的量子比特。

中國(guó)百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺(tái)了量子計(jì)算研究計(jì)劃。今年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計(jì)算云平臺(tái)，使普通用戶也能通過云技術(shù)使用量子計(jì)算。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與德國(guó)海德堡大學(xué)和意大利特倫托大學(xué)的研究人員在量子計(jì)算方面取得新突破。他們開發(fā)了一種專用的量子計(jì)算機(jī)，通過操控束縛在其中的超冷原子，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理。

量子計(jì)算通常分為通用量子計(jì)算和專用量子計(jì)算兩類，前者具有通用性能夠解決各類計(jì)算難題，后者則是專門針對(duì)某類計(jì)算難題。目前，科研學(xué)術(shù)主要集中于專用量子計(jì)算領(lǐng)域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用于先進(jìn)武器設(shè)計(jì)和雷達(dá)開發(fā)測(cè)試等領(lǐng)域。

中國(guó)著名學(xué)者周海中教授曾經(jīng)說過：計(jì)算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能，而且是整個(gè)科學(xué)的基本工具。可以說，量子計(jì)算是一種新的且有用的工具。毫無疑問，作為新型計(jì)算模式，量子計(jì)算將在各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

文/李陽(yáng)（作者單位：丹麥技術(shù)大學(xué)信息技術(shù)和數(shù)學(xué)建模系）