量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

　　量子計算機，早先由理乍得·費曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的。可發(fā)現(xiàn)當模擬量子現(xiàn)象時，因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數(shù)字。理乍得·費曼當時就想到如果用量子系統(tǒng)所構成的計算機來模擬量子現(xiàn)象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生。

　　量子計算機，或推而廣之——量子資訊科學，在1980年代多處于理論推導等等紙上談兵狀態(tài)。一直到1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法后，因其對于現(xiàn)在通行于銀行及網(wǎng)絡等處的RSA加密算法可以破解而構成威脅之后，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力于利用各種量子系統(tǒng)來實現(xiàn)量子計算機。

　　量子計算機的優(yōu)點

　　量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，也是量子計算機最重要的優(yōu)越性。

　　其實，量子計算機的計算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解，以遠超傳統(tǒng)計算機的速度進行復雜的計算。

　　按照傳統(tǒng)算法，當用戶需要提取某一個詞組信息或者需要解決一個問題時，計算機要先把所有可能性列舉出來并驗證一遍才能得到正確的信息，而量子計算機能夠直接計算并提取出相應信息。這種計算稱為量子并行計算，也是量子計算機最重要的優(yōu)越性。

　　量子計算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計算與存儲。例如，一個數(shù)位的經(jīng)典存儲器可以存儲兩個數(shù)字0或者1，但在某一時刻這個數(shù)字要么是0要么是1；而對于量子比特存儲器來說，在同一時刻，它可以同時存儲0和1，其存儲和運行能力都成指數(shù)上升，一個250量子比特的存儲器可以存儲的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。

　　想像一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個字母“X”，這幾乎是不可能的，因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現(xiàn)實中，每個現(xiàn)實都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個現(xiàn)實中找到這個“X”。在這個假設中，普通計算機就是像瘋子一樣的那個你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能將你復制出5000萬個，每個只需翻找一本書即可。

　　這是量子計算機公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對其應用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計算機，其實就是從這個公司購買的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購買了一臺量子計算機，并與NASA共同開展量子計算機的研究項目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺量子計算機開始就備受爭議。一些學者認為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計算機只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。

　　量子計算機的應用

　　我們先來看看量子計算機在顯示生活中已經(jīng)有了的應用以及在未來量子計算機到底能夠給我們帶來什么樣的變化和震撼。

　　D-Wave 量子計算機-首臺商用量子計算機在2007年，加拿大計算機公司D-Wave展示了全球首臺量子計算機“Orion（獵戶座）”，它利用了量子退火效應來實現(xiàn)量子計算。該公司此后在2011年推出具有128個量子位的D-Wave One型量子計算機并在2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預定了一臺具有512個量子位的D-Wave Two量子計算機。

　　NSA加密破解計劃

　　2014年1月3日，美國國家安全局（NSA）正在研發(fā)一款用于破解加密技術的量子計算機，希望破解幾乎所有類型的加密技術。投入巨資 投入4.8億進行“滲透硬目標”

　　首臺編程通用量子計算機

　　2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。不過根據(jù)初步的測試程序顯示，該計算機還存在部分難題需要進一步解決和改善。科學家們認為，可編程量子計算機距離實際應用已為期不遠。

　　單原子量子信息存儲首次實現(xiàn)

　　2013年5月，德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領導的科研小組，首次成功地實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學家設計出功能強大的量子計算機，并讓其遠距離聯(lián)網(wǎng)構建“量子網(wǎng)絡”。

　　首次實現(xiàn)線性方程組量子算法

　　2013年6月8日，由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)了用量子計算機求解線性方程組的實驗。該研究成果發(fā)表在6月7日出版的《物理評論快報》上。

　　金剛石建成世界上首臺量子計算機

　　2015年12月，以杜教授為首的中國科技大學研究人員小組建立了一個新的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以使用相應的方式退出體系結構。比起普通二進制計算機，這一系統(tǒng)使得能夠進行更為大量的計算。通常，這種系統(tǒng)都需要帶有氣候檢測的特別裝備實驗室，而這一新模型卻能夠在普通的房屋內(nèi)也能夠安全存放。其量子計算能夠在普通室溫的條件下工作，這是借助于金剛石中少量的氮來完成的。

　　量子計算機的未來應用

　　1、真正精準的天氣預報

　　量子計算公司QxBranch表示：即使擁有非常尖端的分析溫度和氣壓的工具，給定天氣系統(tǒng)的表現(xiàn)形式也具有很大的不確定性，現(xiàn)如今的天氣預報只是對未來天氣的一種猜測，只不過這個猜測是建立在一定基礎上。

　　量子計算可以在同一時間對所有的數(shù)據(jù)進行分析，并告訴我們壞天氣會在何時何地出現(xiàn)。我們可以提前注意到颶風等極端天氣，從而預留足夠的時間拯救生命。

　　在量子計算機的幫助下可以建立更好的氣候模型，以便人們深入了解人類活動是如何影響環(huán)境的。基于這些模型，我們對未來氣候的變暖形勢進行估計，并幫助我們決定采用什么樣的措施來避免災難的發(fā)生。

　　2、更有效的藥物發(fā)現(xiàn)

　　新藥開發(fā)是一個復雜的過程，化學家們需要對無數(shù)的分子組合進行測試，從而找出有效對抗疾病的分子組合。這個過程可能持續(xù)數(shù)年，且耗資數(shù)百萬美元。化學家們還要對這些組合進行后期試驗，其中的大部分仍以失敗告終。

　　量子計算機能夠描繪出數(shù)以萬億計的分子組成，并將其中最有可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

　　用量子計算對人類基因進行排序和分析比現(xiàn)有方法更快，可以為更多的民眾提供個性化藥物治療和醫(yī)療保健服務。

　　如今，許多藥物不能投入市場，是因為有那么一小部分人對其反應強烈。因此我們經(jīng)常否定一種藥物，盡管它對一些人是有效果的。有了個性化基因分析和更好的藥理知識后，我們就可以預見到可能存在的不良反應。

　　3、告別交通擁堵

　　量子計算可以很好地協(xié)調(diào)飛機航線以及地面交通控制，因為其計算最佳路線的性能卓越。

　　如果你規(guī)劃了一個含有10個不同站的行程，傳統(tǒng)計算機需要單獨計算所有可能路線的總長度并挑選出其中最佳的路線。而量子計算機可以同時計算所有線路的長度，計算出最佳路線所需的時間更短。

　　利用量子計算機對空中交通模式進行深度分析，將帶來更高效的航線安排，可以有效統(tǒng)籌飛機起飛、降落時的時間從而減少出行時間。

　　同樣的技術可以應用于高速公路、各種復雜的城市系統(tǒng)網(wǎng)絡（電網(wǎng)等），從而達到高效、避免擁堵的目的。

　　4、加強軍事力量和國防建設

　　各式各樣的衛(wèi)星正在不間歇的收集影像數(shù)據(jù)，其數(shù)量之龐大沒有誰能夠對其進行全面檢索，因此很多數(shù)據(jù)只是被扔在一邊。在那部分被我們遺棄的數(shù)據(jù)中，我們可能會錯失一些重要的情報。

　　一臺量子計算機對海量數(shù)據(jù)的處理比傳統(tǒng)計算機或個人要快得多，它可以篩選出那些需要進一步仔細分析且往往容易被我們忽視和拋棄的影像。

　　傳統(tǒng)計算機不擅長處理“誰在哪？”這類問題。這關乎識別能力，量子計算機能夠像人類那樣，可以很好地從復雜的背景中找出具體的細節(jié)。

　　5、安全、加密通信

　　不管我們是否意識到，我們時刻使用著加密技術。當我們登錄電子郵箱或使用信用卡進行網(wǎng)購的時候，我們都需要依賴加密技術。利用量子計算機卓越的性能可以使加密更安全可靠。

　　這種超級安全的通信方式被稱為量子密鑰分配，當彼此之間傳遞信息的時候，信息只有經(jīng)過密鑰破解后才能正確顯示。如果第三方截獲了密鑰，但由于量子學的特性，密鑰就會失效從而導致信息不能被準確讀出。該通信技術的初步版本已經(jīng)在歐洲的一些地方試用。

　　同樣的，正如量子計算可以使通信更加安全，量子計算機可以非常容易地破解我們現(xiàn)有的加密信息。從斯諾登泄露的國家安全局的相關文件中就提出該機構計劃開發(fā)量子計算機來進行加密信息的破譯工作。

　　如果一個黑客（或好管閑事的政府機構）試圖染指量子計算機，那么諸如銀行、政府機構等利用老式加密技術的部門行業(yè)就會深陷危機。

　　6、加快太空探索的步伐

　　天文學家們利用開普勒太空望遠鏡在我們生活的太陽系之外發(fā)現(xiàn)了大約2000顆行星。開普勒搜索需要對準這些所謂的系外行星，并且還要等到他們從其歸屬的恒星前經(jīng)過。當這種情況發(fā)生的時候，行星會投下陰影，天文學家借此進行分析和預測其大氣環(huán)境是否適合生命生存。

　　量子計算機可以處理任何望遠鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。它甚至可以從舊的影響中發(fā)現(xiàn)系外行星。

　　7、機器學習和自動化

　　量子計算機可以像人類一樣從經(jīng)驗中學習。它們能夠自我糾正，量子計算機可以對一個錯亂的程序代碼進行修正。這個概念被稱為機器學習，這就好比你的Facebook賬號會列出你可能喜歡的內(nèi)容，但是更復雜。

　　量子計算機的機器學習能力可以幫助我們更快更有效地處理很多事情，利用量子計算機對其自身功能的不斷完善，可以引領半自動車輛等更高級別的人工智能。