量子計算機的進展與方向

鄧智銘

摘要：量子計算機與傳統計算機相比在速度快與節省材料的同時能夠解決傳統計算機難以解決的數學問題.目前，許多國家以及互聯網巨頭公司紛紛努力致力于量子計算機的研究與開發，試圖打開計算機世界的新局面.本文綜述了量子計算機目前的研究進展，并對未來的發展方向進行分析。

關鍵詞：量子計算機；量子信息；進展；方向

中圖分類號：O413；TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0232-02

摩爾定律的持續已經超過了半個世紀，隨著計算機技術的高速發展，摩爾定律的技術基礎逐漸受到了物理限制.除了巨大的耗能外，量子效應隨著集成度的提高，當晶體管小到只有一個電子的時候，電子將不再遵守歐姆定律，量子效應隨即產生.因此，量子計算機的發展將成為打開計算機新世界的突破口，與此同時，量子計算機高效解決信息的能力和可涉及的領域之廣引起了眾多科學家的重視，對量子計算機的進展與方向的分析也顯得尤為重要。

1 量子計算機的進展

1.1 量子計算機實驗進展

1.1.1 離子陷體系

離子陷阱利用電極電場，將經過超冷處理的離子囚禁在電場里，從而實現量子比特。離子陷技術在1994年被提出以后，加快了量子實驗的進程。不僅具有較長的相干時間，而且具有高效處理量子比特的能力。量子操控單元技術的提高與發展成為了目前的主要方向。與此同時，該體系為信息的特性和物理規律的有效聯系提供了一定的研究基礎。

1.1.2 量子點體系

量子點在微加工技術的前提下，通過半導體二維電子氣構造出單電子晶體管。原理上可通過對電子自旋操作處理量子信息，遵守量子力學規律，有很大可能性成為未來量子計算機的發展方向之一。近年來，眾多國內外專家學者紛紛著手于該方向的研究，并取得了一系列實質性的突破。盡管如此，量子點體系受周圍環境的影響，仍難以完整實現其量子相干性，未來還有很長的一段路要走。

1.1.3 腔量子電動力學體系

量子經由原子與微腔之間或光子與微腔之間的相互作用來實現比特之間的耦合。恰是這類腔膜與偶極子的耦合，使量子信息得以操控。不僅光子與原子之間的信息能夠有效傳遞，而且此過程作用速度快，耗時短，推進了量子通信的發展。但是，量子門直接的連接需要在特別冷的環境下進行，運用目前的科技手段難以實現。

1.1.4 超導量子電路體系

Josephson作為超導量子電路的核心，分別具有相位，磁通和電荷類型的電路。其中對電路的設計和外加的電磁信號可分別對Josephson電路進行制定與調控。加之其優秀的擴展性，受到眾多專家學者的肯定，最有希望提前實現量子計算機信息處理器的物理方法之一。

1.2 量子計算機實驗難點

1.2.1 量子消相干

量子計算的相干性是量子并行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相干性極易受到量子糾纏的干擾，導致量子相干性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

1.2.2 量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介于此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

1.2.3 量子并行計算

量子計算機獨特的并行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其并行計算不僅在存儲容量上遠超越了后者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子并行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

1.2.4 量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在復制的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現復制。對于量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及復制功能。

2 量子計算機的方向

科技飛速發展的今天，量子計算機強大的計算能力將會運用到各個領域，也將預示著計算機世界新局面的到來。量子計算機這個新興的產業，必將在未來的計算機領域具有重要的地位。

隨著如今AI產業水平逐步提升，掀起了世界AI的熱潮。量子計算機的超強計算力有望加速AI 產業的進程，促進未來AI產業飛速發展。量子計算如今主要用以復雜的大規模數據處理，以及基于量子加密的網絡安全服務。在AI對計算能力的要求逐漸苛刻的同時，量子計算可為此提供其自身超強的計算能力。通過其核心優勢進行高速并行計算。

隨著技術的逐步提升，涉及分子模型領域也將成為一種可能，即精確模擬化學反應的最佳配置后分子間的相互作用。目前經典計算機只能對最簡單的分子進行分析，量子計算機可通過其高效的計算能力對復雜的化學反應做出全面的分析。目前谷歌已經在該領域制作出第一個氫分子的量子模擬，假如我們采用這種方法應用到更多的分子等物質，那將涉及到我們身邊的眾多領域，從新能源到藥品的研發等。而這正是傳統手段沒有辦法實現的。可見隨著量子計算機的發展，更高效的產品將會出現在我們的生活中。

3 結語

隨著科技的飛速發展，量子計算機以強大的計算在未來的發展過程中必定占有一定的比重。盡管如此，該技術的完整實現仍存在眾多問題等待我們去解決。世界各國仍需加大研究力度，不斷完整體系，尋求突破，以此獲得更大的研究成果，盡可能地實現量子計算機的應用。

參考文獻

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