量子计算机的发展
摘要：
近年来，计算机的计算速度迅猛增长，量子计算机应运而生。20 世纪后期以来科学家们在量子计算机的研制、量子计算和量子通信技术等方面取得了令人鼓舞的成就。量子计算机的应用主要有三个方面：保密通信，量子算法，快速搜索。与经典计算相比,量子计算机具有明显的优越性,它在未来的应用将会引起多个科学技术与经济生活等领域的变革。
关键词：量子计算机。
一、 引言
随着计算机技术的日新月异与人类社会的飞速发展，计算机的计算速度迅猛增长，从而使得硅片上的集成电路最终缩小到不能再缩小的极限，也就是说，那些独立的组件将只有几个原子这么大，进而打破了经典的物理定律。此种趋势促使人们考虑研究遵循量子力学原理的量子计算机和量子计算技术。20 世纪后期以来科学家们在量子计算机的研制、量子计算和量子通信技术等方面取得了令人鼓舞的成就。专家门预测，21世纪将是研究、开发与应用"量子计算机"、"量子计算"和"量子通信"技术的新时代。量子特性使得具有5000个量子位(比特)的量子计算机，可以在大约30秒内解决传统超级计算机要100亿年才能解决的大数因子分解问题。因而，量子计算机被视作为最有希望替代目前通用的硅芯片计算机的未来之星。
二、发展量子计算机的原因
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。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来,信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利,也就更能确保运算具备精准性。
目前的计算机通常会受到病毒的攻击，直接导致电脑瘫痪，还会导致个人信息被窃取，但是量子计算机由于具有不可克隆的量子原理这些问题不会存在，在用户使用量子计算机时能够放心地上网，不用害怕个人信息泄露。另一方面，量子计算机拥有强大的计算能力，能够同时分析大量不同的数据，所以在金融方面能够准确分析金融走势，在避免金融危机方面起到很大的作用；在生物化学的研究方面也能够发挥很大的作用，可以模拟新的药物的成分，更加精确地研制药物和化学用品，这样就能够保证药物的成本和药物的药性。
三、量子计算机的应用过程
1.保密通信。由于量子态具有事先不可确定的特性,而量子信息是用量子态编码的信息,同时量子信息满足"量子态不可完全克隆定理",也就是说当量子信息在量子信道上传输时,假如窃听者截获了用量子态表示的密钥,也不可能恢复原本的密钥信息,从而不能破译秘密信息。因此,在量子信道上可以实现量子信息的保密通信。
2.量子算法。对于一个足够大的整数,即使是用高性能超级并行计算机要在现实的可接受的有限时间内,分解出它是由哪两个素数相乘的是一件十分困难的工作,所以多年来人们一直认为RSA密码系统在计算上是安全的。
3.快速搜索。众所周知,要在经典计算机上从N个记录的无序的数据库中搜索出指定的记录,算法的时间复杂性为O(N)。因为搜索数据库是在外存进行的,所以当记录数N充分大时,搜索工作犹如"大海捞针"一样的困难与烦琐。
综上所述，量子计算机具有经典计算机不可能具有的特性：高的信息传递保真度,能进行量子数据压缩(Quantum datacompression)、超距传递(Teleportation)、超密编码(Super dense coding)、快速量子运算和超快量子傅里叶展开,在解决纠错、防错、改错编码方面,在解决退相干等问题方面也已取得重要进展。
四、量子计算机发展结果
近几年，我国量子计算研究获重要进展，中国科学技术大学潘建伟团队在论文中介绍，经过一系列改进，光量子计算机“九章二号”处理特定问题的速度比超级计算机要快上亿亿亿倍，超导量子计算机“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的计算速度，也比目前最快的超级计算机快一千万倍。这意味着，我国成为了世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。2017年，潘建伟团队构建了首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2020年，潘建伟团队成功构建了76光子、100模式的高斯玻色采样量子计算原型机“九章”，使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。发展量子计算机意义重大，首先是在计算机、IT和数学领域，如实现“量子计算优越性”，在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机。此外，它还可以通过量子计算机建立量子通信网络和量子互联网等。其次，在实用性上，量子计算机有广阔的空间和范围，如密码破译、大数据优化、材料设计等，都可以获得量子计算机的支持，从而解决重大的国计民生问题，并产生巨大的经济价值。正如有科学家预言，量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。同时，量子计算机的发展，会为人工智能加持，从而减少AI应用方面的错误，并创造出允许早期诊断问题的智能系统。量子物理与计算机科学的结合产生了量子计算。
五、结论
与经典计算相比，量子计算机具有明显的优越性，它在未来的应用将会引起多个科学技术与经济生活等领域的变革。从原则上讲,在克服了复杂的技术性问题以后，量子计算与量子计算机的实现已不存在什么困难。量子计算机是计算机未来发展的方向之一。目前有多个国家的科学家正在就制造量子计算机可以使用的材料、量子计算机的工作特性等进行基础性研究。可以预计，在不久的将来,量子通信和量子计算机在技术上将出现实用化前景，虽然道路艰难而曲折，但一定会成为现实。