作者 | DespacitoA
出品 | CSDN博客
1981年，在麻省理工學院召開的第一屆計算物理會議上，諾貝爾獎獲得者、加州理工學院教授理查德·費曼提出利用量子效應對量子系統行為進行模擬的想法，這是量子計算的概念首次被提出。1982年，《International Journal of Theoretical Physics》出版了費曼在該次會議上作的題為“Simulating physics with computers”[1]的主旨報告。
1994年，數學家彼得·肖爾在理論計算機頂級會議FOCS上提出一種可以在量子計算機上實現的量子算法[2]，該算法可以在多項式時間內解決大整數分解問題，這使得基於經典計算複雜性理論的現代密碼學算法（如RSA）變得不再安全。同時，由於該算法的提出，使人們看到量子計算機的巨大應用前景，從而開啟了量子計算機的研究熱潮。
與傳統計算機類似，實現量子計算機也需要從“硬件”與“軟件”兩個方向共同努力。在“硬件”方面，主要圍繞固態量子計算（如：超導、量子點）和基於量子光學的量子計算（如：離子阱）兩類物理實現系統開展研究，在“軟件”方面，重點圍繞量子算法設計和量子程序語言設計開展研究。這些研究工作涉及計算機科學、電子科學、數學、物理學等多個學科的交叉與融合。
兩類量子計算機
量子計算機主要分為通用量子計算機（也稱為標準量子計算機）和專用量子計算機。通用量子計算機通過量子糾纏、量子干涉、量子疊加等量子態實現計算，例如，Google於2018年3月發佈的72量子比特的量子計算機Bristlecone；專用量子計算機則是通過其他理論或模型實現計算（如，量子退火理論等），例如，D-Wave公司的發佈的各型量子計算機，該公司於2018年發佈的量子計算機已具有高達2000個量子位。
在介紹通用量子計算機的研究難點之前，先介紹一下與量子計算相關的量子態的概念。量子疊加是指量子比特可以處於0和1的疊加態（注意經典計算機每比特只能為0或者1），即一個量子比特能夠同時包含0和1的信息。因此，對疊加的量子比特進行操作，便能夠同時完成對0和1的操作。這樣隨著量子比特數量的增長，量子疊加能表示的信息將呈指數增長，n個量子比特能同時包含2n個數的信息，對這n個量子比特的運算便能夠同時完成對2n個數的運算。量子糾纏是指在計算過程中量子比特之間會產生相關性，其中一個量子比特的狀態不能獨立於其他量子比特狀態來單獨進行描述。量子相干性指系統處於量子疊加的能力。
量子計算機實現其非常規計算能力的前提是要保持量子相干性，因此，需要讓其與環境儘可能隔離，而計算所需的操控與測量導致無法實現真正的隔離；此外，當前量子門壽命很短，操作錯誤率很高，這些都是通用量子計算硬件實現中的挑戰。
專用量子計算機雖然已經做到上千個量子位，但由於其應用領域非常有限，因此，一直以來都飽受質疑。
關於量子霸權
美國國家科學基金委的Dmitri Maslov等2018年10月在IEEE最權威的綜述期刊《Proceedings of the IEEE》發表的文章 “An Outlook for Quantum Computing [Point of View]”對量子計算機的性能空間做了總結與展望。
下圖1中綠色部分代表著截止論文發表時（2018年9月）可用的量子計算系統，這些系統的性能非常有限，並且能夠被經典計算機模擬。藍色虛線粗略的劃分了能夠通過經典計算機模擬和不能通過經典計算機模擬的量子計算系統。紫色部分代表了量子霸權，它的定義是隻能使用更加先進的量子計算機完成的任務，無論其實用性如何，這些任務都不能被經典計算機模擬。所以，量子霸權其實是指要找到一些任務，這些任務可能不具有實際價值，但是能夠通過實驗證明量子計算機真的可用。雖然量子霸權的邊界仍未確定，但是預計這樣的實驗中所需的量子比特數(≳50)、量子門誤差概率(≲10-3) 和相干時間（≳103門操作時間）。圖中其他不同的形狀代表解決不同問題的資源需求。
圖 1 量子計算機的性能空間
近期谷歌宣稱世界排名第一的超級計算機Summit需要計算1萬年，而使用谷歌量子計算機只需3分20秒的實驗，無疑證明了量子霸權。雖然不確定Google撤稿的原因，但只要這個實驗證明正確且可行，那麼無疑將成為量子計算機發展的重要里程碑。
[1]Feynman, Richard P. "Simulating physics with computers." International Journal of Theoretical Physics 21.6-7(1982):467-488.
[2]Shor, P. "Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring." Proceedings of 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Scienece. 1994.
[3]Maslov, Dmitri, Y. Nam, and J. Kim. "An Outlook for Quantum Computing [Point of View]." Proceedings of the IEEE 107.1(2018):5-10.
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