量子计算到底是什么？

从哪来

上世纪初量子力学的建立是人类历史上最重大的科学革命之一，催生了半导体、激光、核能、超导、核磁共振和全球卫星定位系统等重大技术的发明，推动人类在信息、能源、材料和生命等科学领域获得了空前的发展，已经从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌，促进了物质文明的巨大进步。

自上世纪九十年代以来，量子调控技术的巨大进步使得人类可以对微观粒子的量子状态进行主动的精确操纵，从而诞生了以量子信息技术为代表的这一新兴的领域。量子信息技术，包括量子通信、量子计算、量子精密测量等，可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈。（引自《合肥宣言
》）

计算机技术已经引起了经济和社会的巨大改变，其发展得益于传统量子物理的研究。晶体管是计算机的主要元件，有了量子力学理论我们才 能够理解这种半导体器件的基本原理。在过去的四五十年当中，集成电路中的晶体管数量大概每 一年半增长一倍，被称为摩尔(Moore)定律。然而，目前这个趋势正在放缓。在这个时候，量子物理研究有可能再一次从根本上突破瓶颈并促进 计算机技术的大规模发展。

与今天广为使用的计算机(我们称之为经典计算机)相比，量子计算机通过一种完全不同的方式 进行计算，因此给计算技术带来了全新的可能 性。量子力学理论创立于20世纪初，经由大量的物理实验验证，业已成为半导体和现代化学的理论基础。在量子力学中，物理系统的状态需要用 波函数来描述，存在不是非黑即白的状态，被称为量子叠加态。同时，量子力学预言了波函数的 相干、纠缠等经典物理理论中没有的现象。虽然 我们很难在日常生活中直接看到这些现象，但它们都能在实验室中被观测到。量子计算机的“量子”指的就是在计算中利用量子相干、纠缠等效应，进而能够用比经典计算机更短的时间完成某些特殊计算。这正是我们研发量子计算机的最主要原因。除此以外，量子计算技术还促进了基 础研究和其他量子技术，例如量子通讯和量子传感等。（引自《通用量子计算机和容错量子计算》）

优势在哪

• 并行计算能力更强。
  一般地，描述n个量子比特的量子计算机需要2n个系数数字，当n增大时所有状态所需数字很大。但由于量子叠加效应，量子计算过程中的幺正变换可以对处于叠加态的所有分量同时进行操作（也即量子并行性）。因此，量子计算机可以同时进行多路并行运算，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。

• 能耗更低
  当前，经典计算中运算速度遇到的一大瓶颈就是能耗问题对芯片集成度的制约。有研究表明，能耗产生于计算过程中的不可逆操作。直观而言，传统芯片的特征尺寸很小（数纳米）时，量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、能耗提高，这即是传统摩尔定律面临失效的原因。因此，必须将不可逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相较之下，量子计算中的幺正变换属于可逆操作，因而信息处理过程中的能耗较低，这有利于大幅提升芯片的集成度，进而提升量子计算机算力。（引自《量子计算发展白皮书》）

应用场景

量子计算具有经典计算技术难以企及的并行计算能力和信息携带量，有望成为满足未来计算需求、加速科技创新的新引擎。在可预期的未来，量子计算机不会完全取代经典计算机，但会依托其在并行计算、量子行为模拟等方面的独特优势，在算力需求极高的特定场景中发挥作用。例如，量子计算有望用于基础科研、化工、能源、材料、人工智能、信息安全、加密通信、太空探索等领域，对各国科技创新、产业发展乃至经济社会的各个方面带来颠覆性影响。

从中短期来看，量子计算主要可在量子模拟、量子优化和量子增强人工智能等方面发挥作用。

量子模拟。 在传统计算中，由于难以精确求解方程，当前的计算化学方法严重依赖近似值。相比之下，量子计算所依赖的量子力学是自然界最基本的物理原理，因此量子计算天然适于模拟各类物理、化学过程，能够在更长时间范围内准确模拟分子行为，因此能够大幅提升建模精度，在生物药物、能源材料、化工材料等领域提升研发效率、缩短产品开发周期。例如，在生物医药领域，药物研发的前、中、后期都需要大量数据计算，尤其在中期环节，需要极高的计算能力以支撑分子性质模拟和药品功能设计。

量子优化。 优化问题需要从诸多解决方案中找到最优解，对传统计算而言，在大规模物流网络等复杂系统中，设计满足各种需求的最优路线的计算量很大。例如，对仅有数百个集散地的物流网络而言，而穷尽所有可能性，传统计算机需要数十亿年时间。量子计算则能大幅提升计算效率，从而在物流运输、航空旅行、交通管制、金融资产管理、网络基础设施等领域中提升运营效率、减少碳排放等。

量子增强人工智能。 人工智能对算力需求的一大特征即海量异构数据的并行计算，这也是传统CPU芯片难以胜任，从而导致GPU、FPGA、ASIC等芯片在人工智能领域大受欢迎的原因。如上文所述，量子计算的超强算力源自量子并行性，因而其十分适于进行人工智能所需的并行计算。当前，量子计算已经开始用于提升机器学习在数据聚类等领域的能力（引自《量子计算发展白皮书
》）

量子计算机发展路线

构建一台真正具有通用计算能力的量子计算机，仍需要长期的努力。业界一致认为，为了领域的健康长期发展，除了要在基础研究领域做好操纵精度、可容错之外，规模化、实用性的量子计算研究可以沿如下路线开展。

第一个阶段是实现“量子优越性”或称“量子称霸”，即量子模拟机针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标可在近期实现；

第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统，可在组合优化、量子化学、机器学习等方面发挥效用；

第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。实现通用可编程量子计算机还需要全世界学术界的长期艰苦努力。（引自《合肥宣言
》）

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