使用二进制代码进行量子。 茅野雄一郎/盖蒂图片社

　　计算机制造商产生的大量处理能力尚未能够满足我们对速度和计算能力的渴望。1947年，美国计算机工程师 霍华德·艾肯 说只有六个电子数字 计算机 将满足美国的计算需求。其他人对支持我们不断增长的技术需求的计算能力做出了类似的错误预测。当然，艾肯并没有指望科学研究产生的大量数据，而是 个人电脑 或 互联网，这只会推动我们对更多、越来越多的计算能力的需求。

　　我们是否会拥有我们需要或想要的计算能力?如果，作为 摩尔定律 状态，一个 微处理器 继续每18个月翻一番，2020年或2030年将发现微处理器上的电路在原子尺度上测量。合乎逻辑的下一步将是创建 量子计算机，这将利用原子和分子的力量来执行 记忆 和处理任务。量子计算机有可能比任何基于硅的计算机更快地执行某些计算。

　　科学家们已经建造了可以执行某些计算的基本量子计算机;但实用的量子计算机还需要数年时间。在本文中，您将了解什么是量子计算机，以及它在下一个计算时代的用途。

　　你不必回到太远的地方就能找到量子计算的起源。虽然计算机已经存在了20世纪的大部分时间，但量子计算在不到30年前由物理学家在 阿贡国家实验室. 保罗·贝尼奥夫 被认为是1981年首次将量子理论应用于计算机。贝尼奥夫提出了关于创建量子图灵机的理论。大多数数字计算机(例如您用于阅读本文的计算机)都基于 图灵理论.在下一节中了解这是什么。

　　定义量子计算机

　　布洛赫球面是量子比特的表示，量子比特是量子计算机的基本构建块。

　　在 GNU 自由文档许可证 1.2图灵机，由 艾伦·图灵 在 1930 年代，是一种理论装置，由无限长度的胶带组成，分为小正方形。每个方块可以容纳一个符号(1 或 0)，也可以留空。读写设备读取这些符号和空白，从而为机器提供执行特定程序的指令。这听起来熟悉吗?好吧，在一个 量子 图灵机，区别在于磁带以量子态存在，读写头也是如此。这意味着磁带上的符号可以是 0 或 1 或 重合 的 0 和 1;换句话说，符号同时是 0 和 1(以及介于两者之间的所有点)。普通的图灵机一次只能执行一个计算，而量子图灵机可以一次执行多个计算。

　　今天的计算机，就像图灵机一样，通过操纵存在于两种状态之一的位来工作：0 或 1。量子计算机不限于两种状态;它们将信息编码为量子比特，或者 量子比特，可以叠加存在。量子比特代表 原子、离子、光子或电子及其各自的控制装置，它们协同工作以充当 电脑内存 和 处理器.由于量子计算机可以同时包含这些多种状态，因此它有可能比当今最强大的超级计算机强大数百万倍。

　　量子比特的这种叠加是量子计算机固有的原因 排比.根据物理学家的说法 大卫·多伊奇，这种并行性允许量子计算机同时处理一百万个计算，而您的台式 PC 可以处理一个计算。一台 30 量子位的量子计算机将等于一台可以运行 10 量子位的传统计算机的处理能力 太夫洛普斯 (每秒数万亿次浮点运算)。当今典型的台式计算机以 gigaflops(每秒数十亿次浮点运算)为单位的速度运行。

　　量子计算机还利用了量子力学的另一个方面，称为 纠缠.量子计算机的一个问题是，如果你试图观察亚原子粒子，你可能会撞到它们，从而改变它们的值。如果你查看叠加的量子比特来确定它的值，量子比特将假定 0 或 1 的值，但不是两者兼而有之(有效地将你漂亮的量子计算机变成一台普通的数字计算机)。为了制造出实用的量子计算机，科学家们必须设计出间接进行测量的方法，以保持系统的完整性。纠缠提供了一个潜在的答案。在量子物理学中，如果你对两个原子施加外力，它会导致它们纠缠在一起，第二个原子可以具有第一个原子的性质。因此，如果放任不管，原子会向各个方向旋转。当它受到干扰的那一刻，它选择一个旋转或一个值; 同时，第二个纠缠的原子将选择相反的自旋或值。这使科学家无需实际查看量子比特即可知道量子比特的值。

　　接下来，我们将看看量子计算领域的一些最新进展。

　　量子比特控制

　　计算机科学家通过使用 控制装置.

　　离子阱 使用光学场或磁场(或两者的组合)来捕获离子。

　　光学陷阱 使用光波来捕获和控制粒子。

　　量子点 由半导体材料制成，用于容纳和操纵电子。

　　半导体杂质 通过使用半导体材料中发现的“不需要的”原子来包含电子。

　　超导电路 允许电子在非常低的温度下几乎没有阻力地流动。

　　当今的量子计算机

　　D-Wave的16量子比特 量子计算机

　　照片由2007年©提供 D-WAVE SYSTEMS， INC.量子计算机有朝一日可以取代硅芯片，就像晶体管曾经取代真空管一样。但就目前而言，开发这种量子计算机所需的技术超出了我们的能力范围。量子计算的大多数研究仍然非常理论化。

　　最先进的量子计算机还没有超越操纵超过16个量子比特，这意味着它们与实际应用相去甚远。然而，量子计算机有朝一日可以快速轻松地执行在传统计算机上非常耗时的计算的潜力仍然存在。在过去的几年里，量子计算取得了几项关键的进步。让我们来看看一些已经开发的量子计算机。

　　1998

　　洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院的研究人员设法将单个量子比特散布在液体溶液的每个分子中的三个核自旋中 丙氨酸 (用于分析量子态衰变的氨基酸)或 三氯乙烯 (用于量子纠错的氯化烃)分子。分散量子比特使其更难损坏，允许研究人员使用纠缠来研究状态之间的相互作用，作为分析量子信息的间接方法。

　　2000

　　三月，科学家在 洛斯阿拉莫斯国家实验室 宣布在一滴液体中开发7量子位量子计算机。量子计算机使用核磁共振(NMR)来操纵反式巴豆酸分子原子核中的粒子，反式巴豆酸是一种由六个氢原子和四个碳原子组成的简单流体。核磁共振用于应用 电磁 脉冲，迫使粒子排列。这些与磁场平行或相反位置的粒子允许量子计算机模仿 位 在数字计算机中。

　　研究人员在 IBM-亚玛顿研究中心 八月份开发了他们声称是迄今为止最先进的量子计算机。5量子比特量子计算机旨在允许五个氟原子的原子核以量子比特的形式相互作用，由 射频 脉冲，可通过类似于医院使用的核磁共振仪器进行检测( 磁共振成像的工作原理 了解详情)。在Isaac Chuang博士的带领下，IBM团队能够一步解决一个数学问题，这个问题需要传统计算机重复循环。问题，称为 订单查找，涉及查找特定函数的周期，这是密码学中涉及的许多数学问题的典型方面。

　　2001

　　来自IBM和斯坦福大学的科学家成功演示 肖尔算法 在量子计算机上。Shor算法是一种查找数字质因数的方法(它在 密码学).他们使用7量子位的计算机找到15的因数。计算机正确地推断出质因数是 3 和 5。

　　2005

　　因斯布鲁克大学量子光学和量子信息研究所宣布，科学家创造了第一个 量子字节，或一系列 8 个量子比特，使用 离子阱.

　　2006

　　滑铁卢和马萨诸塞州的科学家设计了在12量子比特系统上进行量子控制的方法。随着系统使用更多的量子比特，量子控制变得更加复杂。

　　2007

　　加拿大初创公司D-Wave展示了一台16量子位的量子计算机。计算机解决了 数独 拼图等模式匹配问题。该公司声称将在2008年之前生产实用系统。怀疑论者认为，实用的量子计算机还需要几十年的时间，D-Wave创建的系统是不可扩展的，D-Wave网站上的许多说法根本不可能(或者至少不可能确定，因为我们对量子力学的理解)。

　　如果可以构建功能性量子计算机，它们在分解大量数字方面将很有价值，因此对于解码和编码秘密信息非常有用。如果今天建造一个，互联网上的任何信息都是安全的。我们目前的方法 加密 与量子计算机中可能的复杂方法相比，它们很简单。量子计算机也可用于搜索大型数据库，所需时间仅为传统计算机的一小部分。其他应用可能包括使用量子计算机研究量子力学，甚至设计其他量子计算机。

　　但量子计算仍处于发展的早期阶段，许多计算机科学家认为，创建实用量子计算机所需的技术还需要数年时间。量子计算机必须至少有几十个量子比特才能解决现实世界的问题，从而作为一种可行的计算方法。