13、量子计算：原理、挑战与应用前景

量子计算：原理、挑战与应用前景

1. 引言

20世纪末，量子计算这一新兴领域崭露头角，它融合量子力学与信息理论，为信息科学带来了全新的计算范式。传统信息科学受限于CMOS技术提供的狭窄计算空间，而量子计算利用量子力学的干涉、并行、纠缠和叠加原理，提供了巨大的计算空间和前所未有的速度。

传统计算机以比特（bit）为基本计算单元，只有0和1两种状态，提供2n的计算空间；而量子计算机使用量子比特（qubit），可以处于|0〉、|1〉或两者的叠加态，提供2n的计算空间。这种扩展的计算空间使量子计算能够实时解决复杂问题，而这些问题在传统计算中被认为是NP - 难或背包问题。

量子计算的根源可追溯到摩尔定律，随着计算能力的提升，处理器尺寸将呈指数级减小，如今经典处理器已达到纳米级，进一步发展将进入原子级计算，即量子计算。1980年，俄罗斯数学家Yuri Manin提出量子自动机，Paul Benioff设计了用于模拟图灵机的量子哈密顿量。1982年，Richard Feynman提出一些量子现象无法用经典计算机无指数级减速地模拟。此后，Deutsch提出量子图灵机，1994年Peter Shor开发了用于解决素因数分解问题的量子算法，1996年Lov Grove改进经典算法加速了大型数据库搜索。这些突破引发了全球科研和工业界对量子计算的关注。

尽管量子计算发展迅速，但仍处于起步阶段。量子计算机通过制备量子比特状态来存储和处理信息，使用基于线性代数的量子门来执行程序。然而，量子计算机的硬件对环境敏感，容易出错，量子态的测量也极具挑战性，“不可克隆定理”限制了量子信息的复制，因此需要解决诸多问题才能实现量子计算的实际应用。

2. 量子计算的当代研究 </