16、通用量子计算：从理论到原型建模的探索

通用量子计算：从理论到原型建模的探索

1. 量子计算基础与挑战

量子计算（QC）虽潜力巨大，但在实现多量子比特计算方面仍面临诸多挑战。经典图灵机一次只能处于一个状态，而量子计算机的 n 个量子比特可以同时处于 2ⁿ 个状态的叠加态，展现出强大的计算能力。例如，一个 1000 量子比特的寄存器可以用 2¹⁰⁰⁰ 个复数来描述，这远远超过了哈勃半径内的原子数量。

然而，构建大规模量子计算机存在一些工程难题，主要包括初始化和数据读取过程中的退相干问题，以及量子门的操作速度需快于系统的退相干时间（通常在纳秒到秒之间）。不过，通过本体论方法可以绕过量子不确定性原理，使读取时的退相干问题变得无关紧要。

摩尔定律预测，自 1958 年集成电路发明以来，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，处理速度也随之提升，同时晶体管尺寸相应缩小。按照这一规律，量子计算有望在 2020 年左右出现。但也有人认为，从经典计算到量子计算的转变是一种“相变”，类似于光在不同介质中传播时的折射现象。利用斯涅尔 - 笛卡尔折射定律进行理论推导，可能得出量子计算无法实现的结论，但也有人基于 EPR 悖论推测，由于非局域空间中“信息”速度更快，大规模通用量子计算（UQC）可能在 2022 年出现。实际上，只要通过 UFM 协议克服不确定性，UQC 有可能立即实现，或者在 2018 年左右成为现实。

目前，有许多量子系统被认为有潜力用于大规模 UQC，包括固态和分子溶液核磁共振、超导、囚禁离子、量子点、拓扑准粒子、光学晶格、腔量子电动力学（QED）、量子光学、量子自旋、玻色 - 爱因斯坦凝聚体、绝热、基于晶体管、分子磁体、量子霍尔效应、富勒烯电子自旋共振和金刚石自旋等。不过，一些声称已经存在的量子计算机，如 D -