量子峰会召开，什么是量子计算？

当地时间9月24日，美国白宫召开量子峰会，讨论美国政府推动量子信息科学的努力，旨在让关键利益相关者聚齐在一起，以帮助量子计算成为现实。除美国相关政府部门的官员外，谷歌母公司Alphabet、IBM、摩根大通等大公司和学术专家也将参加此次会议。

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。

基本原理

量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。

量子位

量子位（qubit）是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元用二进制的 1 个位来表示，它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外，还可处于叠加态（superposed state）。叠加态是“ 0” 态和“ 1” 态的任意线性叠加，它既可以是“ 0” 态又可以是“ 1” 态，“ 0” 态和“ 1” 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“ 0” 态或 “ 1” 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位，例如氢原子中的电子的基态（ground state）和第 1 激发态（first excited state)、 质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圆偏振光的左旋和右旋等。

一个量子系统包含若干粒子，这些粒子按照量子力学的规律运动，称此系统处于态空间的某种量子态。这里所说的态空间是指由多个本征态（eigenstate) （即基本的量子态）所张成的矢量空间，基本量子态简称基本态（basic state）或基矢（basic vector) . 态空间可用Hilbert 空间（线性复向量空间）来表述，即Hilbert 空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算，Dirac提出用符号|x〉 来表示量子态，|x〉 是一个列向量，称为ket ；它的共轭转置（conjugate t ranspose) 用〈x|表示，〈x|是一个行向量，称为bra.一个量子位的叠加态可用二维Hilbert 空间（即二维复向量空间）的单位向量来描述。

叠加原理

把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转可能与磁场一致，称为上旋转状态，或者与磁场相反，称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下，用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态；那么，我们用一半的能量脉冲，将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上（处在每种状态上的几率为二分之一）。对于n个量子比特而言，它可以承载2的n次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化，幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有500个量子比特，则量子计算的每一步会对2^500种可能性同时做出了操作。2^500是一个可怕的数，它比地球上已知的原子数还要多（这是真正的并行处理，当今的经典计算机，所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情）。

发展 概念的提出

量子计算(quantum computation) 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First Conference on Physics of Computation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（quantum Turing machine）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。

中期发展

1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出 [3]，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（quantum algorithm）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（photon polarization）、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED）、离子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,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。

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。

世界上第一台商用量子计算机

加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On采用了128-qubit（量子比特）的处理器，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。不过严格来说这还算不上真正意义的通用量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。另外，为尽可能降低qubit的能级，需要利用低温超导状态下的铌产生qubit，D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近（20 mK）。

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的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。

世界上第一台商用量子计算机

加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion”（猎户座），不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。

2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他们声称该系统由2000个qubit构成，可以用于求解最优化、网络安全、机器学习、和采样等问题。对于一些基准问题测试，如最优化问题和基于机器学习的采样问题，D-Wave 2000Q胜过当前高度专业化的算法1000到10000倍。

量子计算是一项突破性的技术。专家们表示，目前该技术虽然仍处于初级阶段，但未来可能会对医疗保健、通信、金融服务、交通运输、人工智能、天气预报等领域产生重大影响。同时，这项技术具有重大的国家安全意义，因为量子计算机可能会突破传统的互联网安全程序或其他密码。量子计算机的运行速度比今天先进的超级计算机快数百万倍。

峰会将让关键利益相关者聚集一堂，以帮助量子计算成为现实。本次峰会由白宫科技政策办公室组织，该办公室负责量子信息科学的助理主任杰克-泰勒表示，政府计划在当地时间9月24日公布一项关于如何推进下一代技术的战略。他表示，这次会议的目的是让关键利益相关者聚齐在一起，“真正制定一项计划”，以帮助量子计算成为现实，并寻求对政府可以采取的其他措施的投入。根据白宫的一份备忘录，量子计算“将使我们能够预测和改进化学反应、新材料及其特性，并对时空和宇宙的出现提供新的理解”，而这一切可能在十年内实现。

参加此次会议的包括美国国防部、国家安全局、白宫国家安全委员会、美国宇航局和联邦能源部、农业部、国土安全部、国务院和内政部等部门的官员。除此之外，霍尼韦尔国际公司(Honeywell International Inc)、洛克希德马丁(Lockheed Martin Corp)、高盛集团、AT&T、英特尔、诺斯罗普格鲁曼(Northop Grumman Corp)等多家大公司的代表也将参加此次会议。

谷歌、微软、IBM等公司为量子计算开展各种军备竞赛。IBM技术副总裁Tim Sheehy在接受采访时表示，此次会议“将学术界，政府，行业聚集在一起，并讨论如何才能集合个体的努力从而成为一个更大的集体”。

像IBM、微软、谷歌和英特尔这样的科技巨头已经开展各种军事竞赛，相互竞争，为全功能量子计算机创建软件，但难题是开发人员必须为这尚不存在的计算机构建软件。比尔·盖茨创立的微软已经成为首批在量子计算领域认真发展的美国公司之一，但其他科技公司也正迎头赶上，制定自己的量子计算战略。

微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉称量子计算是科技行业的“军备竞赛”。根据纳德拉的说法，这场比赛与人工智能军备竞赛同样重要，但它在很大程度上被公众所忽视。美国白宫召开的量子峰会也许可以帮助量子计算成为美国全国性对话的一部分。美国众议院通过关于量子信息科学的立法，量子计算在各国均受重视

9月13日，美国众议院通过了关于量子信息科学的立法，以“制定统一的国家量子战略”，到2023年将拨款13亿美元的资金。该法案的共同作者、众议院科学委员会主席拉马尔·史密斯将在9月24日的峰会上发表讲话。该法案被称为“国家量子倡议法案”(National Quantum Initiative Act)，它定义了一项为期10年的国家战略，通过美国国家标准与技术研究院(NIST)，美国国家科学基金会(NSF)以及美国能源部(DOE)的活动来推进量子计算和通信技术。这项为期10年的计划分为两个五年计划，其中第一个计划将从2019财年到2023年财年。该法案的主旨是支持量子信息科学的研发和劳动力发展，并展示其应用，其总体目标是保持美国在这一领域的领导地位，目前这一地位面临着来自其它国家的挑战。

事实上，超过20个国家正在争夺量子计算的未来。去年，欧盟支持了一项价值10亿欧元、名为”Quantum Technology Flagship”的计划，该计划将资助量子领域的研究和开发。同样，其他国家，包括中国、日本、英国、澳大利亚、加拿大和俄罗斯，都在将大量资金投入到量子技术的研究中。

目前，全球少数国家和地区，包括美国、中国、欧盟与日本，以国防、军工、科研部门为代表的力量都在量子计算领域发力，并带动了该领域的投资增长。

与此同时，从IBM、谷歌、英特尔到国内的百度、阿里巴巴、腾讯，大公司也正在加大该领域研发与商用探索的力度。

例如，IBM开发出了一台50量子比特的量子计算原型机，Google也推出了一款72量子比特的芯片。但是，这些产品要成为真正有用的设备，挑战犹存。

参考文献

美国量子战略将出炉！白宫量子计算峰会谷歌、IBM等参会

US House Passes Bill to Invest More Than $1.2 Billion in Quantum Information Science

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