使用二進(jìn)制代碼進(jìn)行量子。 茅野雄一郎/蓋蒂圖片社

　　計(jì)算機(jī)制造商產(chǎn)生的大量處理能力尚未能夠滿足我們對(duì)速度和計(jì)算能力的渴望。1947年，美國計(jì)算機(jī)工程師 霍華德·艾肯 說只有六個(gè)電子數(shù)字 計(jì)算機(jī) 將滿足美國的計(jì)算需求。其他人對(duì)支持我們不斷增長的技術(shù)需求的計(jì)算能力做出了類似的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)。當(dāng)然，艾肯并沒有指望科學(xué)研究產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，而是 個(gè)人電腦 或 互聯(lián)網(wǎng)，這只會(huì)推動(dòng)我們對(duì)更多、越來越多的計(jì)算能力的需求。

　　我們是否會(huì)擁有我們需要或想要的計(jì)算能力?如果，作為 摩爾定律 狀態(tài)，一個(gè) 微處理器 繼續(xù)每18個(gè)月翻一番，2020年或2030年將發(fā)現(xiàn)微處理器上的電路在原子尺度上測(cè)量。合乎邏輯的下一步將是創(chuàng)建 量子計(jì)算機(jī)，這將利用原子和分子的力量來執(zhí)行 記憶 和處理任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)有可能比任何基于硅的計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行某些計(jì)算。

　　科學(xué)家們已經(jīng)建造了可以執(zhí)行某些計(jì)算的基本量子計(jì)算機(jī);但實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還需要數(shù)年時(shí)間。在本文中，您將了解什么是量子計(jì)算機(jī)，以及它在下一個(gè)計(jì)算時(shí)代的用途。

　　你不必回到太遠(yuǎn)的地方就能找到量子計(jì)算的起源。雖然計(jì)算機(jī)已經(jīng)存在了20世紀(jì)的大部分時(shí)間，但量子計(jì)算在不到30年前由物理學(xué)家在 阿貢國家實(shí)驗(yàn)室. 保羅·貝尼奧夫 被認(rèn)為是1981年首次將量子理論應(yīng)用于計(jì)算機(jī)。貝尼奧夫提出了關(guān)于創(chuàng)建量子圖靈機(jī)的理論。大多數(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)(例如您用于閱讀本文的計(jì)算機(jī))都基于 圖靈理論.在下一節(jié)中了解這是什么。

　　定義量子計(jì)算機(jī)

　　布洛赫球面是量子比特的表示，量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建塊。

　　在 GNU 自由文檔許可證 1.2圖靈機(jī)，由 艾倫·圖靈 在 1930 年代，是一種理論裝置，由無限長度的膠帶組成，分為小正方形。每個(gè)方塊可以容納一個(gè)符號(hào)(1 或 0)，也可以留空。讀寫設(shè)備讀取這些符號(hào)和空白，從而為機(jī)器提供執(zhí)行特定程序的指令。這聽起來熟悉嗎?好吧，在一個(gè) 量子 圖靈機(jī)，區(qū)別在于磁帶以量子態(tài)存在，讀寫頭也是如此。這意味著磁帶上的符號(hào)可以是 0 或 1 或 重合 的 0 和 1;換句話說，符號(hào)同時(shí)是 0 和 1(以及介于兩者之間的所有點(diǎn))。普通的圖靈機(jī)一次只能執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，而量子圖靈機(jī)可以一次執(zhí)行多個(gè)計(jì)算。

　　今天的計(jì)算機(jī)，就像圖靈機(jī)一樣，通過操縱存在于兩種狀態(tài)之一的位來工作：0 或 1。量子計(jì)算機(jī)不限于兩種狀態(tài);它們將信息編碼為量子比特，或者 量子比特，可以疊加存在。量子比特代表 原子、離子、光子或電子及其各自的控制裝置，它們協(xié)同工作以充當(dāng) 電腦內(nèi)存 和 處理器.由于量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)包含這些多種狀態(tài)，因此它有可能比當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大數(shù)百萬倍。

　　量子比特的這種疊加是量子計(jì)算機(jī)固有的原因 排比.根據(jù)物理學(xué)家的說法 大衛(wèi)·多伊奇，這種并行性允許量子計(jì)算機(jī)同時(shí)處理一百萬個(gè)計(jì)算，而您的臺(tái)式 PC 可以處理一個(gè)計(jì)算。一臺(tái) 30 量子位的量子計(jì)算機(jī)將等于一臺(tái)可以運(yùn)行 10 量子位的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理能力 太夫洛普斯 (每秒數(shù)萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)。當(dāng)今典型的臺(tái)式計(jì)算機(jī)以 gigaflops(每秒數(shù)十億次浮點(diǎn)運(yùn)算)為單位的速度運(yùn)行。

　　量子計(jì)算機(jī)還利用了量子力學(xué)的另一個(gè)方面，稱為 糾纏.量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)問題是，如果你試圖觀察亞原子粒子，你可能會(huì)撞到它們，從而改變它們的值。如果你查看疊加的量子比特來確定它的值，量子比特將假定 0 或 1 的值，但不是兩者兼而有之(有效地將你漂亮的量子計(jì)算機(jī)變成一臺(tái)普通的數(shù)字計(jì)算機(jī))。為了制造出實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家們必須設(shè)計(jì)出間接進(jìn)行測(cè)量的方法，以保持系統(tǒng)的完整性。糾纏提供了一個(gè)潛在的答案。在量子物理學(xué)中，如果你對(duì)兩個(gè)原子施加外力，它會(huì)導(dǎo)致它們糾纏在一起，第二個(gè)原子可以具有第一個(gè)原子的性質(zhì)。因此，如果放任不管，原子會(huì)向各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它受到干擾的那一刻，它選擇一個(gè)旋轉(zhuǎn)或一個(gè)值; 同時(shí)，第二個(gè)糾纏的原子將選擇相反的自旋或值。這使科學(xué)家無需實(shí)際查看量子比特即可知道量子比特的值。

　　接下來，我們將看看量子計(jì)算領(lǐng)域的一些最新進(jìn)展。

　　量子比特控制

　　計(jì)算機(jī)科學(xué)家通過使用 控制裝置.

　　離子阱 使用光學(xué)場(chǎng)或磁場(chǎng)(或兩者的組合)來捕獲離子。

　　光學(xué)陷阱 使用光波來捕獲和控制粒子。

　　量子點(diǎn) 由半導(dǎo)體材料制成，用于容納和操縱電子。

　　半導(dǎo)體雜質(zhì) 通過使用半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)的“不需要的”原子來包含電子。

　　超導(dǎo)電路 允許電子在非常低的溫度下幾乎沒有阻力地流動(dòng)。

　　當(dāng)今的量子計(jì)算機(jī)

　　D-Wave的16量子比特 量子計(jì)算機(jī)

　　照片由2007年?提供 D-WAVE SYSTEMS， INC.量子計(jì)算機(jī)有朝一日可以取代硅芯片，就像晶體管曾經(jīng)取代真空管一樣。但就目前而言，開發(fā)這種量子計(jì)算機(jī)所需的技術(shù)超出了我們的能力范圍。量子計(jì)算的大多數(shù)研究仍然非常理論化。

　　最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)還沒有超越操縱超過16個(gè)量子比特，這意味著它們與實(shí)際應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)。然而，量子計(jì)算機(jī)有朝一日可以快速輕松地執(zhí)行在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上非常耗時(shí)的計(jì)算的潛力仍然存在。在過去的幾年里，量子計(jì)算取得了幾項(xiàng)關(guān)鍵的進(jìn)步。讓我們來看看一些已經(jīng)開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)。

　　1998

　　洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)法將單個(gè)量子比特散布在液體溶液的每個(gè)分子中的三個(gè)核自旋中 丙氨酸 (用于分析量子態(tài)衰變的氨基酸)或 三氯乙烯 (用于量子糾錯(cuò)的氯化烴)分子。分散量子比特使其更難損壞，允許研究人員使用糾纏來研究狀態(tài)之間的相互作用，作為分析量子信息的間接方法。

　　2000

　　三月，科學(xué)家在 洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室 宣布在一滴液體中開發(fā)7量子位量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)使用核磁共振(NMR)來操縱反式巴豆酸分子原子核中的粒子，反式巴豆酸是一種由六個(gè)氫原子和四個(gè)碳原子組成的簡單流體。核磁共振用于應(yīng)用 電磁 脈沖，迫使粒子排列。這些與磁場(chǎng)平行或相反位置的粒子允許量子計(jì)算機(jī)模仿 位 在數(shù)字計(jì)算機(jī)中。

　　研究人員在 IBM-亞瑪頓研究中心 八月份開發(fā)了他們聲稱是迄今為止最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)。5量子比特量子計(jì)算機(jī)旨在允許五個(gè)氟原子的原子核以量子比特的形式相互作用，由 射頻 脈沖，可通過類似于醫(yī)院使用的核磁共振儀器進(jìn)行檢測(cè)( 磁共振成像的工作原理 了解詳情)。在Isaac Chuang博士的帶領(lǐng)下，IBM團(tuán)隊(duì)能夠一步解決一個(gè)數(shù)學(xué)問題，這個(gè)問題需要傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)重復(fù)循環(huán)。問題，稱為 訂單查找，涉及查找特定函數(shù)的周期，這是密碼學(xué)中涉及的許多數(shù)學(xué)問題的典型方面。

　　2001

　　來自IBM和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家成功演示 肖爾算法 在量子計(jì)算機(jī)上。Shor算法是一種查找數(shù)字質(zhì)因數(shù)的方法(它在 密碼學(xué)).他們使用7量子位的計(jì)算機(jī)找到15的因數(shù)。計(jì)算機(jī)正確地推斷出質(zhì)因數(shù)是 3 和 5。

　　2005

　　因斯布魯克大學(xué)量子光學(xué)和量子信息研究所宣布，科學(xué)家創(chuàng)造了第一個(gè) 量子字節(jié)，或一系列 8 個(gè)量子比特，使用 離子阱.

　　2006

　　滑鐵盧和馬薩諸塞州的科學(xué)家設(shè)計(jì)了在12量子比特系統(tǒng)上進(jìn)行量子控制的方法。隨著系統(tǒng)使用更多的量子比特，量子控制變得更加復(fù)雜。

　　2007

　　加拿大初創(chuàng)公司D-Wave展示了一臺(tái)16量子位的量子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)解決了 數(shù)獨(dú) 拼圖等模式匹配問題。該公司聲稱將在2008年之前生產(chǎn)實(shí)用系統(tǒng)。懷疑論者認(rèn)為，實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還需要幾十年的時(shí)間，D-Wave創(chuàng)建的系統(tǒng)是不可擴(kuò)展的，D-Wave網(wǎng)站上的許多說法根本不可能(或者至少不可能確定，因?yàn)槲覀儗?duì)量子力學(xué)的理解)。

　　如果可以構(gòu)建功能性量子計(jì)算機(jī)，它們?cè)诜纸獯罅繑?shù)字方面將很有價(jià)值，因此對(duì)于解碼和編碼秘密信息非常有用。如果今天建造一個(gè)，互聯(lián)網(wǎng)上的任何信息都是安全的。我們目前的方法 加密 與量子計(jì)算機(jī)中可能的復(fù)雜方法相比，它們很簡單。量子計(jì)算機(jī)也可用于搜索大型數(shù)據(jù)庫，所需時(shí)間僅為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一小部分。其他應(yīng)用可能包括使用量子計(jì)算機(jī)研究量子力學(xué)，甚至設(shè)計(jì)其他量子計(jì)算機(jī)。

　　但量子計(jì)算仍處于發(fā)展的早期階段，許多計(jì)算機(jī)科學(xué)家認(rèn)為，創(chuàng)建實(shí)用量子計(jì)算機(jī)所需的技術(shù)還需要數(shù)年時(shí)間。量子計(jì)算機(jī)必須至少有幾十個(gè)量子比特才能解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，從而作為一種可行的計(jì)算方法。