量子计算机的优点_量子计算机的应用_量子计算机的未来应用

　　量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

　　量子计算机，早先由理乍得·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而资料量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理乍得·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生。

　　量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

　　量子计算机的优点

　　量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。

　　其实，量子计算机的计算原理和薛定谔的猫是一样的，利用的都是“量子叠加态”。这意味着计算机能同时尝试所有可能的解，以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

　　按照传统算法，当用户需要提取某一个词组信息或者需要解决一个问题时，计算机要先把所有可能性列举出来并验证一遍才能得到正确的信息，而量子计算机能够直接计算并提取出相应信息。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。

　　量子计算的神奇之处在于，它可以做到真正的并行计算与存储。例如，一个数位的经典存储器可以存储两个数字0或者1，但在某一时刻这个数字要么是0要么是1；而对于量子比特存储器来说，在同一时刻，它可以同时存储0和1，其存储和运行能力都成指数上升，一个250量子比特的存储器可以存储的数字比我们已知宇宙所有的原子数还多。

　　想像一下，你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。

　　这是量子计算机公司D-Wave联合创始人埃里克·勒迪辛斯基对其应用前景的解释。谷歌和NASA联合研究的量子计算机，其实就是从这个公司购买的。2013年，谷歌从D-Wave系统公司购买了一台量子计算机，并与NASA共同开展量子计算机的研究项目。D-Wave系统公司自2007年推出首台量子计算机开始就备受争议。一些学者认为由于量子形态并不稳定，量子计算机只是在理论层面可行。然而这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

　　

　　量子计算机的应用

　　我们先来看看量子计算机在显示生活中已经有了的应用以及在未来量子计算机到底能够给我们带来什么样的变化和震撼。

　　D-Wave 量子计算机-首台商用量子计算机在2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”，它利用了量子退火效应来实现量子计算。该公司此后在2011年推出具有128个量子位的D-Wave One型量子计算机并在2013年宣称NASA与谷歌公司共同预定了一台具有512个量子位的D-Wave Two量子计算机。

　　NSA加密破解计划

　　2014年1月3日，美国国家安全局（NSA）正在研发一款用于破解加密技术的量子计算机，希望破解几乎所有类型的加密技术。投入巨资 投入4.8亿进行“渗透硬目标”

　　首台编程通用量子计算机

　　2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。不过根据初步的测试程序显示，该计算机还存在部分难题需要进一步解决和改善。科学家们认为，可编程量子计算机距离实际应用已为期不远。

　　单原子量子信息存储首次实现

　　2013年5月，德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组，首次成功地实现了用单原子存储量子信息——将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180微秒后将其读出。最新突破有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机，并让其远距离联网构建“量子网络”。

　　首次实现线性方程组量子算法

　　2013年6月8日，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组，在国际上首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。该研究成果发表在6月7日出版的《物理评论快报》上。

　　金刚石建成世界上首台量子计算机

　　2015年12月，以杜教授为首的中国科技大学研究人员小组建立了一个新的系统，这个系统可以使用相应的方式退出体系结构。比起普通二进制计算机，这一系统使得能够进行更为大量的计算。通常，这种系统都需要带有气候检测的特别装备实验室，而这一新模型却能够在普通的房屋内也能够安全存放。其量子计算能够在普通室温的条件下工作，这是借助于金刚石中少量的氮来完成的。

　　量子计算机的未来应用

　　1、真正精准的天气预报

　　量子计算公司QxBranch表示：即使拥有非常尖端的分析温度和气压的工具，给定天气系统的表现形式也具有很大的不确定性，现如今的天气预报只是对未来天气的一种猜测，只不过这个猜测是建立在一定基础上。

　　量子计算可以在同一时间对所有的数据进行分析，并告诉我们坏天气会在何时何地出现。我们可以提前注意到飓风等极端天气，从而预留足够的时间拯救生命。

　　

　　在量子计算机的帮助下可以建立更好的气候模型，以便人们深入了解人类活动是如何影响环境的。基于这些模型，我们对未来气候的变暖形势进行估计，并帮助我们决定采用什么样的措施来避免灾难的发生。

　　2、更有效的药物发现

　　新药开发是一个复杂的过程，化学家们需要对无数的分子组合进行测试，从而找出有效对抗疾病的分子组合。这个过程可能持续数年，且耗资数百万美元。化学家们还要对这些组合进行后期试验，其中的大部分仍以失败告终。

　　量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成，并将其中最有可能有效的组合快速识别出，显著降低药物的研发成本和周期。

　　用量子计算对人类基因进行排序和分析比现有方法更快，可以为更多的民众提供个性化药物治疗和医疗保健服务。

　　如今，许多药物不能投入市场，是因为有那么一小部分人对其反应强烈。因此我们经常否定一种药物，尽管它对一些人是有效果的。有了个性化基因分析和更好的药理知识后，我们就可以预见到可能存在的不良反应。

　　3、告别交通拥堵

　　量子计算可以很好地协调飞机航线以及地面交通控制，因为其计算最佳路线的性能卓越。

　　如果你规划了一个含有10个不同站的行程，传统计算机需要单独计算所有可能路线的总长度并挑选出其中最佳的路线。而量子计算机可以同时计算所有线路的长度，计算出最佳路线所需的时间更短。

　　利用量子计算机对空中交通模式进行深度分析，将带来更高效的航线安排，可以有效统筹飞机起飞、降落时的时间从而减少出行时间。

　　同样的技术可以应用于高速公路、各种复杂的城市系统网络（电网等），从而达到高效、避免拥堵的目的。

　　4、加强军事力量和国防建设

　　各式各样的卫星正在不间歇的收集影像数据，其数量之庞大没有谁能够对其进行全面检索，因此很多数据只是被扔在一边。在那部分被我们遗弃的数据中，我们可能会错失一些重要的情报。

　　一台量子计算机对海量数据的处理比传统计算机或个人要快得多，它可以筛选出那些需要进一步仔细分析且往往容易被我们忽视和抛弃的影像。

　　传统计算机不擅长处理“谁在哪？”这类问题。这关乎识别能力，量子计算机能够像人类那样，可以很好地从复杂的背景中找出具体的细节。

　　5、安全、加密通信

　　不管我们是否意识到，我们时刻使用着加密技术。当我们登录电子邮箱或使用信用卡进行网购的时候，我们都需要依赖加密技术。利用量子计算机卓越的性能可以使加密更安全可靠。

　　这种超级安全的通信方式被称为量子密钥分配，当彼此之间传递信息的时候，信息只有经过密钥破解后才能正确显示。如果第三方截获了密钥，但由于量子学的特性，密钥就会失效从而导致信息不能被准确读出。该通信技术的初步版本已经在欧洲的一些地方试用。

　　同样的，正如量子计算可以使通信更加安全，量子计算机可以非常容易地破解我们现有的加密信息。从斯诺登泄露的国家安全局的相关文件中就提出该机构计划开发量子计算机来进行加密信息的破译工作。

　　如果一个黑客（或好管闲事的政府机构）试图染指量子计算机，那么诸如银行、政府机构等利用老式加密技术的部门行业就会深陷危机。

　　

　　6、加快太空探索的步伐

　　天文学家们利用开普勒太空望远镜在我们生活的太阳系之外发现了大约2000颗行星。开普勒搜索需要对准这些所谓的系外行星，并且还要等到他们从其归属的恒星前经过。当这种情况发生的时候，行星会投下阴影，天文学家借此进行分析和预测其大气环境是否适合生命生存。

　　量子计算机可以处理任何望远镜视野中更多的数据，从而发现更多的行星，并迅速识别出最有可能存有生命体的行星。它甚至可以从旧的影响中发现系外行星。

　　7、机器学习和自动化

　　量子计算机可以像人类一样从经验中学习。它们能够自我纠正，量子计算机可以对一个错乱的程序代码进行修正。这个概念被称为机器学习，这就好比你的Facebook账号会列出你可能喜欢的内容，但是更复杂。

　　量子计算机的机器学习能力可以帮助我们更快更有效地处理很多事情，利用量子计算机对其自身功能的不断完善，可以引领半自动车辆等更高级别的人工智能。