量子计算机的进展与方向

摘要：量子计算机与传统计算机相比在速度快与节省材料的同时能够解决传统计算机难以解决的数学问题.目前，许多国家以及互联网巨头公司纷纷努力致力于量子计算机的研究与开发，试图打开计算机世界的新局面.本文综述了量子计算机目前的研究进展，并对未来的发展方向进行分析。

关键词：量子计算机；量子信息；进展；方向

中图分类号：O413；TN918 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0232-02

摩尔定律的持续已经超过了半个世纪，随着计算机技术的高速发展，摩尔定律的技术基础逐渐受到了物理限制.除了巨大的耗能外，量子效应随着集成度的提高，当晶体管小到只有一个电子的时候，电子将不再遵守欧姆定律，量子效应随即产生.因此，量子计算机的发展将成为打开计算机新世界的突破口，与此同时，量子计算机高效解决信息的能力和可涉及的领域之广引起了众多科学家的重视，对量子计算机的进展与方向的分析也显得尤为重要。

1 量子计算机的进展

1.1 量子计算机实验进展

1.1.1 离子陷體系

离子陷阱利用电极电场，将经过超冷处理的离子囚禁在电场里，从而实现量子比特。离子陷技术在1994年被提出以后，加快了量子实验的进程。不仅具有较长的相干时间，而且具有高效处理量子比特的能力。量子操控单元技术的提高与发展成为了目前的主要方向。与此同时，该体系为信息的特性和物理规律的有效联系提供了一定的研究基础。

1.1.2 量子点体系

量子点在微加工技术的前提下，通过半导体二维电子气构造出单电子晶体管。原理上可通过对电子自旋操作处理量子信息，遵守量子力学规律，有很大可能性成为未来量子计算机的发展方向之一。近年来，众多国内外专家学者纷纷着手于该方向的研究，并取得了一系列实质性的突破。尽管如此，量子点体系受周围环境的影响，仍难以完整实现其量子相干性，未来还有很长的一段路要走。

1.1.3 腔量子电动力学体系

量子经由原子与微腔之间或光子与微腔之间的相互作用来实现比特之间的耦合。恰是这类腔膜与偶极子的耦合，使量子信息得以操控。不仅光子与原子之间的信息能够有效传递，而且此过程作用速度快，耗时短，推进了量子通信的发展。但是，量子门直接的连接需要在特别冷的环境下进行，运用目前的科技手段难以实现。

1.1.4 超导量子电路体系

Josephson作为超导量子电路的核心，分别具有相位，磁通和电荷类型的电路。其中对电路的设计和外加的电磁信号可分别对Josephson电路进行制定与调控。加之其优秀的扩展性，受到众多专家学者的肯定，最有希望提前实现量子计算机信息处理器的物理方法之一。

1.2 量子计算机实验难点

1.2.1 量子消相干

量子计算的相干性是量子并行运算的精髓，但在实际情况下，量子比特会受到外界环境的作用与影响，从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰，导致量子相干性降低，也就是所谓的消相干现象。实际的应用中，无法避免量子比特与外界的接触，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一，它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

1.2.2 量子纠缠

量子作为最小的颗粒，遵守量子纠缠规律。即使在空间上，量子之间可能是分开的，但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此，量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上，利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。

1.2.3 量子并行计算

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器，经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者，而且读取速度快，多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性，它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一。

1.2.4 量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子态不存在复制的过程，既然要保持量子态不变，则不存在量子的测量，也就无法实现复制。对于量子计算机来说，无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

2 量子计算机的方向

科技飞速发展的今天，量子计算机强大的计算能力将会运用到各个领域，也将预示着计算机世界新局面的到来。量子计算机这个新兴的产业，必将在未来的计算机领域具有重要的地位。

随着如今AI产业水平逐步提升，掀起了世界AI的热潮。量子计算机的超强计算力有望加速AI 产业的进程，促进未来AI产业飞速发展。量子计算如今主要用以复杂的大规模数据处理，以及基于量子加密的网络安全服务。在AI对计算能力的要求逐渐苛刻的同时，量子计算可为此提供其自身超强的计算能力。通过其核心优势进行高速并行计算。

随着技术的逐步提升，涉及分子模型领域也将成为一种可能，即精确模拟化学反应的最佳配置后分子间的相互作用。目前经典计算机只能对最简单的分子进行分析，量子计算机可通过其高效的计算能力对复杂的化学反应做出全面的分析。目前谷歌已经在该领域制作出第一个氢分子的量子模拟，假如我们采用这种方法应用到更多的分子等物质，那将涉及到我们身边的众多领域，从新能源到药品的研发等。而这正是传统手段没有办法实现的。可见随着量子计算机的发展，更高效的产品将会出现在我们的生活中。

3 结语

随着科技的飞速发展，量子计算机以强大的计算在未来的发展过程中必定占有一定的比重。尽管如此，该技术的完整实现仍存在众多问题等待我们去解决。世界各国仍需加大研究力度，不断完整体系，寻求突破，以此获得更大的研究成果，尽可能地实现量子计算机的应用。

参考文献

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