10.4.4　量子计算机

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。

对于现代计算机而言，通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据到底是“1”还是“0”，采用“1”或“0”的二进制数据模式，俗称经典比特，其在工作时将所有数据排列为一个比特序列，对其进行串行处理。而量子计算机使用的是量子比特，量子计算机能秒杀传统计算机得益于两个独特的量子效应：量子叠加和量子纠缠。量子叠加能够让一个量子比特同时具备“0”和“1”的两种状态；量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，实现量子并行计算，其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数级增长。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”，拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力。量子计算机原理如图10- 10所示。

图10-10　量子计算机原理

此外，量子计算的信息处理过程是幺正变换，幺正变换的可逆性使得量子信息处理过程中的能耗较低，能够从原理上解决现代信息处理的另一个关键技术——高能耗的问题。因此，量子计算技术是后摩尔时代的必然产物。

为了开发出量子计算巨大的并行处理能力，必须寻找适用的量子算法。目前重要的量子算法包括破解RSA加密的Shor算法、求解组合优化的量子退火算法、求解矩阵方程的HHL算法等，这些算法相比对应的经典算法都能实现指数级的加速。以Shor算法为例，目前的超级计算机破解2 048位的RSA加密需要上亿年，而运行Shor算法的量子计算机只需要不到100 s。

规模化通用量子计算机的诞生，将极大地满足现代信息的需求，在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至对国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防军事和信息安全等领域发挥关键性作用。

目前，IBM、谷歌和洛克希德·马丁等公司高度关注量子计算的研究，探索量子计算在语音/图像模式识别、任务规划、材料设计和机器学习等方面的应用。NASA建立了量子人工智能实验室，通过优化量子算法应对大量航天器的通信请求及任务调度带来的计算资源紧缺。