一文读懂量子计算的原理、分类与发展

摘要：非冯·诺伊曼型计算机（如量子计算机和伊辛机），它们的工作原理与现代计算机不同，正引起人们的广泛关注。如在组合优化问题、量子化学计算和素因数分解等特定问题上体现较为明显，这些都是对社会有影响的重要问题，所以正在深入研究中。本篇文章介绍了新原理计算机的发展过程，以及日本NTT实验室的理论和实验工作。

目前，在半导体行业中，有一条经验法则叫做“摩尔定律”，即“集成电路上的晶体管数量每18个月翻一番”。事实上，根据这一定律，半导体器件在制作工艺上正变得越来越精细，计算机的性能也在逐年提高。同时，随着摩尔定律的逐步推进，晶体管的体积在不断变小，原子尺寸也将达到极限。然而，在此之前，有种说法是在量子效应出现之前，还存在着一种"量子力学墙"，而这些物理现象都无法在传统的电路定律中解释。

在量子力学的世界里，存在着经典力学所没有的神秘特性，如叠加状态、波粒二象性。而量子计算机是一种充分利用这些特性，并以与传统计算机不同的原理运行的计算机。在当前的信息处理计算过程中，可以取"0"和"1"两个值的比特进行计算，但是作为量子计算机基本元素的量子比特是可以实现"0"和"1"的任意组合叠加。如准备N个量子比特，2的N次方可以表示一个状态的叠加，通过增加量子比特的数量，叠加态的数量呈指数增长。通过对大量的叠加态进行计算，可以实现大规模并行计算，这是量子计算机加速的一个因素条件。

此外，量子计算机还利用量子比特的波特性，通过量子比特之间的相位干涉效应，从大规模并行计算的结果中找出所需的解。近年来，与传统的基于顺序计算的冯·诺伊曼计算机不同，基于新原理运行的非冯·诺伊曼计算机（如量子计算机）越来越受到人们的关注。在本篇文章中，我们将从理论和实验的角度介绍NTT实验室在新原理计算机方面的进展与实践。

新原理计算机

新原理计算机大致可以