展望量子计算机在未来科学中的应用

周博深

摘要近些年来，科学家们在量子技术方面先后取得了卓越的研究成果，而量子計算机作为量子力学和计算机的结合，被视为从根本上改变人类未来发展的新兴技术，被科研人员称作替代硅芯片计算机的“未来之星”，是目前信息科技领域研究的热点。本文将会对量子计算机的现状进行简单介绍，并对量子计算机在未来科学中的应用进行展望。

关键词量子计算机；现状；未来应用

量子计算机相较于现有的计算机来说，其信息存储和处理能力都有着质的飞跃。Steve_Jurveston是Draper Fisher-Jurveston投资公司的常务董事，也是领先量子计算机公司D Wave Systems的早期投资者，他把量子计算机计算速度迅速提升的定律称为罗斯定律。和摩尔定律预言半导体处理器的发展速度一样，罗斯定律也预言了量子计算机的发展速度，只不过后者的速度要比前者快得多。相较于量子计算机的理论研究来说，在实际应用虽然存在一些问题，但是其在未来科学中有着巨大的发展前景。本文就此对量子计算机进行分析。

1量子计算机的基本概念及发展历程

基本概念：量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算机的一种计算机器。其主要有以下2个特点，其一是将输入态和输出态进行一般的叠加态，并且这两者之间通常不相交；其二是在量子计算机中的交换为所有可能的正交换，在得出结果后，对输出态进行一定的测量。

发展历程：量子计算机最早由理乍得·费曼提出，早先量子计算是从一种物理现象中模拟而来的，在模拟过程中经过一系列的验证、研发而得出了量子计算机概念；在1980年，量子计算机仍处于纸上谈兵的理论阶段，直到1994年量子质因子分解算法被提出，加快了量子计算机研发的进程；现如今，量子计算机已经基本研发成型，并逐渐被应用在各行各业，为人们的生产生活带来了便捷。

2量子计算机目前的发展状况

量子计算机作为一种新型的运算工具，它有着强大的并行处理数据的能力。可以解决现有计算机很多难以解决的问题。现如今的量子计算机打破了传统计算机以运算器为中心，运行输入与输出的模式，创新性地将输入与输出相互叠加，在所有运算完成正变换之后再对输出态进行一定的测量，这大大加快了机器的运行速度。量子计算机与传统计算机相比具有明显的进步和优势，其研究领域如图1所示，但是在实际应用中仍然存在一些问题，现从这两个方面对量子计算机的现状进行分析。

2.1量子计算机的优势

量子计算机的优势首先体现在运算速度上，传统计算机对数据的处理是串行处理，只能处于0或1的二进制状态。而量子计算机是并行处理，它采用的是量子比特，可以同时处于多个状态，这就使得它能够同时执行多重运算。可以说量子计算机相较于传统计算机的运行速度就好比传统计算机相较于算盘。

此外，量子计算机的并行处理大大地提高了计算机的工作效率，使其在一定情况下可以完成传统计算机所无法完成的运算。例如，对一个很大的自然数进行因子分解，量子计算机利用相干性原理可以对自然数进行超快计算，其运算速度是传统计算机所无法比拟的。当然，量子计算机所具有的存储大、能耗低、精确度高、寿命长等优势也不容小觑，这说明在运算过程中，量子计算机存在着巨大的发展空间。

2.2量子计算机存在的问题

1）量子相干性很难保持。量子计算机的优势体现在并行处理上，而其本质上利用了量子相干性。但是在实际应用中，由于量子计算机执行运行的量子比特不是一个孤立的系统，会与外界相互作用，作用结果就很容易消相干，因此量子相干性难以长时间保持，这影响了量子计算机在快速运算的良好效果，常会出现运算中断等运算故障。

2）量子纠错。量子现象非常脆弱，因此，在运算过程中依靠量子特性计算的运算过程容易出错，再加上其传播速度快，很容易对计算机的运行造成干。并且量子比特极其复杂，是多方面运算而不是对其简单的复制，所以在进行纠错时会更加困难。

3）量子芯片有待突破。量子芯片是实现量子计算的硬件，对量子计算机来说是非常重要的。就目前来看，选择什么材料来做量子芯片、做到什么程度仍然是科研人员需要深入研究的内容。

3量子计算机在未来科学发展中的应用

与量子计算机的研究理论相比，其实际应用开展则较为缓慢，但是就目前来看，量子计算机不管是在功能，还是在其模拟运算上都将会远远超过传统计算机，可以说量子计算机迎来了发展的大好时代，其在未来科学发展中的潜力是不可估量的。以下几个方面是其主要发展方向。

3.1量子计算

量子快速计算，是量子计算机的主要优势点，也是重要的潜力点。量子计算是一种潜在的变革，它会在未来科学中帮助我们解决现在看来不可能或者不切实际的难题。科研人员在对量子计算机的加密系统的研究中也发现了量子系统具备良好的潜在实用价值，它可以解决目前无法解决的物理和量子化学难题。例如科学家在进行物理和化学的研究时，量子计算可以帮助科学家在实验室设计出新材料和新药物，提高了研发效率。此外，量子计算机还能够快速处理大规模的数据库和大规模存储多样化、非结构化的数。这将会改变人们的决策方式并帮助科研人员取得重大科研发现。

3.2量子密码

在量子领域，量子密码可能是第一个走向实际应用的方向，而对人类影响最大的当属量子计算机。量子计算机能够和GFoveF搜索破译密码，同时也提供了一种保密通讯的方式。在利用EPR对量子通讯进行实验时发现，只有拥有对的EPR的一方才能够完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息做到真正的保密通讯。

3.3量子信息处理

量子计算机相较于传统计算机，其信息处理能力更强，能够做到很多传统计算机做不到的事。比如利用量子计算机能够将某种病毒体内的各种成分分析的清清楚楚，帮助科研人员制造出有针对性的强力药物，除此之外，量子信息处理系统还可以在很短的时间内根据观测的信息计算出某地地震的概率，给决策层提供一些线索，有利于减少自然灾害所带来的人员伤亡和财产损失。在天气预报方面也同样能够提供更加精确的预测，给人们的生产生活带来便利。

4结论

相比于传统计算机，量子计算机不仅在外形和材料上有很大突破，其还具有海量的计算能力和无限的未来，量子计算机因此也成为各国战略的重中之重。而在国家的战略重视和支持下，我国在量子计算机的研究方面也取得了重大进展。在未来，量子计算机必将更加完善，会从实验室走向人们的生活，取代传统计算机并改变人类社会的面貌，帮助科学家完成更多的研究，助力人类更好地探索无限可能的未来。