量子計算是什么？它到底有什么用？

量子計算(Quantum Computing)是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。它與傳統計算理論不同，它的運行基于量子比特，利用量子疊加和量子糾纏等獨特的量子效應進行信息處理，可以極大提高計算效率，并克服了成本問題，將是邁向強人工智能的重要道路。美國著名學者羅伊·阿瑪拉教授最近指出，量子計算是計算機領域未來30年最重要的顛覆性技術。

量子計算(圖片源自網絡)

對照于傳統的通用計算機，量子計算的理論模型是通用圖靈機。1982年，美國著名物理學家理查德·費曼教授提出了量子計算的概念，并指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超傳統計算機的能力優勢。90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計算技術發展奠定了重要的理論基礎。

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

當計算機有n個存儲器時，傳統計算模式每操作一次只能變化一個數據，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數據，量子計算的數據處理能力是傳統模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優勢將十分明顯。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機尚未走向大規模實用。

從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題。但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機，為未來解決強人工智能的算法問題奠定了科學基礎。

量子計算機的計算能力隨著量子比特的增加呈現爆發式增長，形成所謂“量子優越性”。量子計算被認為是在某些特定領域延續摩爾定律提升人類算力的方法之一，它如果能夠大規模商用，有望大幅縮短新藥開發、破解密碼、以及搜索等人工智能應用所需時間。

量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比于經典信息處理具有更大潛力和更重要作用。因此，量子計算領域近年異常熱鬧，許多科研機構都已進軍量子計算領域。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾、IBM等美國科技企業擁有先發優勢，通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發了量子計算機，它花費約200秒完成的任務，而傳統超級計算機要1萬年才能完成。

谷歌研究人員最近借助量子計算機，首次成功模擬了一個化學反應。他們表示，盡管這一反應很簡單，但卻是量子計算機走向實用化的重要一步;而量子計算機模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在研究，微軟就是其中一員。

2020年7月，微軟發表了一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛。展示了量子計算與化學結合的應用前景。未來可以將這種算法擴大規模，來模擬更復雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。

2019年8月，中國量子計算研究獲重大進展。浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等單位組成的研究團隊通力合作，開發出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。

此外，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等中國科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。2020年9月，百度、本源量子等企業先后發布了自己的最新量子計算云平臺，使普通用戶也能通過云技術使用量子計算，為構建量子計算生態系統作出了應有的貢獻。

據媒體報道，中國著名學者潘建偉教授帶領的團隊研發的光量子計算機僅從理論計算速度上來說，已經超過了谷歌的量子計算機，在2020年可以實現操控60個量子比特。當然，評價量子計算機的優劣，不僅僅是理論上的計算速度和量子比特的數量，還有很多其他維度。

量子計算可分為通用量子計算和專用量子計算兩大類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，后者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學術主要集中于專用量子計算領域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用于先進武器設計和雷達開發測試等領域。

隨著科技的不斷進步,計算工具也不斷地更新和發展。中國著名學者周海中教授曾經說過：計算不僅是數學的基礎技能,而且是整個科學的基本工具。毫無疑問，作為一種新型計算工具，量子計算將在各學科領域發揮越來越重要的作用。

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