量子计算和量子信息作为科技前沿领域，备受学界关注及重视。量子信息与量子计算机因其能实现量子精密测量、量子通信保密、量子模拟、量子计算等功能，有望在未来涉及人工智能、大数据处理、搜索、生物制药、物流优化等领域，具有广阔的发展前景，成为当前研究的热点和重点之一，且国际间竞争激烈。

从备受争议到全球瞩目：量子计算机的发展之路

实际上，量子计算机经历了非常曲折的发展过程。二十世纪80年代便有学者着手进行研究，却因“太不可思议”而饱受质疑。1982年，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费曼提出，既然世界是由基于量子力学的系统而构成，那么用现有的计算机来研究某些量子系统已经是鞭长莫及。若用量子计算机来模拟量子现象，研究小到量子物理性能、大到“高端宇宙”的问题，效率将变得十分可观。因此便有了“通用量子模拟机”概念的诞生，用于执行量子模拟的功能。随着量子计算机理论及其推论的不断完善、其突破获得物理学界不断认可，人们开始意识到量子计算机并非纸上谈兵，反而是最有前景实现实用化的一项技术。

此外，量子算法被发现擅长有效解决“大数分解”问题，使得量子计算机在计算能力方面独具优势。同时产生的问题是，可轻而易举地破解广泛应用于银行及网络的RSA密码系统，对现有保密系统的安全性构成威胁，因而量子计算机、量子保密通信和量子密码就成为“输不起”“不敢输”的前沿研究领域。

量子计算机作为一种具有良好发展前景的变革性技术，正成为各国科技战略布局必争之地，如超导量子计算和量子模拟领域就有多个高科技公司的强势介入。

量子力学加计算机：量子计算机的基本概念

量子计算机的运行遵循量子力学原理，以量子比特为基本量子信息单元，以量子纠缠、量子测量、相干叠加为特色，以解决实用和科学问题为目标。

量子计算机中所谓的“量子”用某种物质作为载体，如超导电路、原子、冷原子光晶格中的冷原子、腔阵列中的微小腔、离子阱中的离子、激光中的光子等。当选择光子作为载体时，一个光子就相当于一个量子比特。因量子具有“叠加态”这一特殊属性，如“薛定谔的猫”，观测时可以得到完全不同的状态，即一次测量总是测不准的，称为“测不准原理”，需要大量测量才可以测得其状态。量子计算机使用量子态相干叠加作为信息载体，通过多个量子比特之间的纠缠等性质来进行大规模的量子计算。

目前的超导量子计算机在外观上只是实验室中的大量设备，量子计算在芯片中进行，芯片制作模式与普通计算机类似，相当于量子计算机的CPU。未来可以实用的量子计算机也许就像一个界面友好的程序，在云端执行处理用户提交的任务并反馈结果。

相辅相成or优胜劣汰：量子计算机与普通计算机的关系

量子计算机的诞生有其必要性与可行性：摩尔定律所依赖的技术基础受限，使得普通计算机发展到一定程度会遭遇瓶颈，迫切需要新的信息技术为其提供支持；量子态操控技术的发展，为实现量子计算与模拟提供了可能。

量子计算机与普通计算机存在运行模式与储存空间的差异。与普通计算机在0和1二进制系统上以或、与、非这样的逻辑门运行不同，量子计算机的底层运行模式符合量子力学原理。普通计算机还存在运算效率、存储空间的问题。即使是“天河二号”或“神威•太湖之光”这类超级计算机，其存储量子态能力也只与50个量子比特的量子计算机相当。而量子计算机具有“可扩展性”这一优势特征，即通过增加量子比特数目来增大量子计算的规模。50个量子比特表示2的50次方，每增加1个量子比特，使用普通计算机进行模拟的运行时间、矩阵及存储所需空间就增加一倍。而目前已建成20个量子比特的量子计算机，50个量子比特已成为目之所及。因此从长远来看，量子计算机强大的运算能力将令普通计算机望尘莫及。

尽管量子计算机拓展了计算能力及解决问题的范围，但也并非万能，如难以解决“邮递员问题”。普通计算机与量子计算机各有所长，甚至在处理某些问题上，量子芯片并不如经典芯片。未来二者应处于相辅相成的状态，未来计算机是两者的有机结合。

理论之上实践未满：量子计算机的前沿应用

《自然》杂志2017年发表的一篇研究显示，量子计算机在模拟“时间晶体”这种奇特的物态时独具优势，也可展示凝聚态多体量子物理特色。量子计算机还可以进行量子化学模拟，譬如模拟某种药物是否可以通过化学合成。量子信息技术能够应用于探测脑磁、心磁的脑磁仪，可以看作是量子精密测量在医学中的应用，该仪器通过量子效应来探测生物磁非常微弱的信号。此外，量子计算机在医学大数据的存储方面也非常具有潜力，但如何将现有的数据转化为量子态进行存储、运算仍在研究中。至于在生物医学领域的其他应用场景仍需要探索，其一是因为量子效应在生物里还没有得到展示，其二是受限于已知量子算法的数量，量子计算机可知的应用范围也非常局限，但作为一种变革性技术，其各种应用仍然值得期待。

理论上，量子计算机能有效地模拟自然宇宙中任何物理过程，人工智能、大数据、生物制药等均为其应用可能。迄今为止，世界上还没有诞生真正意义上的量子计算机，目前的探索与算法测试仅限于实验室阶段，都是为真正的量子计算机铺路。可以说，前景虽远，但仍然充满无限的可能。

实习记者 周海若 本报记者 王晶 整理