量子计算是什么

量子计算

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

量子计算的发展史

1、概念的提出

量子计算（quantumcomputation）的概念最早由阿岗国家实验室的P.Benioff于80年代初期提出，他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的FirstConferenceonPhysicsofComputation中给了一场演讲，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的D.Deutsch提出量子图灵机（quantumTuringmachine）的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。

2、中期发展

1994年，贝尔实验室的应用数学家P.Shor指出，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法（quantumalgorithm）确实有其实用性，绝非科学家口袋中的戏法。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的课题之一，就是如何去建造一部真正的量子计算器，来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构，例如光子的偏振（photonpolarization）、腔量子电动力学（cavityquantumelectrodynamics，CQED）、离子阱（iontrap）以及核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）等等。截止到2017年，考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素，离子阱与超导系统走在了其它物理系统的前面。

3、发展前景

量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在重要的问题是，如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性，同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。

量子计算的应用

1、解决经典计算难题

大数质因子求解问题是公认的NP问题，如给定一个足够大的数，可以验证某个数是否是它的因子，但无法在有限的时间里找出它所有的因子。Shor的量子算法将大数质因子求解转换为P问题，激发了人们寻找对其他NP问题可能存在的量子算法，但还不清楚量子计算是否可以将所有的NP问题转换为P问题。量子计算解决NP问题的一个办法是利用量子并行机制搜索问题的所有可能解。这种办法并不能给出对所有NP问题进行有效解答的方法，但在NP问题中有可能存在更深层的结构，使得可以用量子计算快速求解。

2、量子搜索

量子搜索利用量子并行计算的优势在解空间进行完全搜索，并将目标振幅放大求解。Grover量子搜索算法的提出最初用于搜索非结构化数据库问题，之后掀起了研究搜索的热潮。经过许多研究者的不断完善和发展，Grover量子搜索算法已经形成一个比较完整的搜索算法体系，能够适应各种不同的搜索需求。现实中许多问题都可以归结为搜索问题，如最短路径、排序、图着色、数据库搜索及密码中的穷举攻击等均属于这类问题。量子搜索能将这些问题中的部分NP类问题转换为P类问题（如图着色问题）或是对问题的求解进行加速。目前，各种量子搜索算法的具体应用正在不断涌现。

3、密码学

Shor提出的量子大数因子分解算法使得量子计算机可以轻易破译RSA公开密匙体系，因此量子密码受到了极大的关注。Wiesner在1970年写了一篇很有创意的有关共轭编码的文章，奠定了量子密码学的基础。因Wicsncr的想法太新奇，论文被拒绝刊登，直到1983年才得以发表。Bennet等继续该课题的研究并取得了丰硕的成果。量子密码学系统利用了Heisenberg的不确定性原理，原则上量子密码学可以提供不可破译、不可窃听的保密通信体系。国内李传锋等在建立量子密码体系方面也取得了一定成果。随着时代的发展，出现了各式各样的密码形式，当今真正能够成为主流加密技术的是大名鼎鼎的非对称公钥加密技术，正是有赖于这项上世纪70年代出现的公钥加密系统，让安全而且高效的互联网传输成为可能。2016年3月2日，公钥加密系统的两位创始人因此获得有“计算机界诺贝尔奖“之称的图灵奖！