量子计算机的工作原理

图灵机由艾伦·图灵在20世纪30年代开发，是一种理论设备，它由一条无限长的磁带组成，磁带被分成小方格。每个方格可以容纳一个符号（1或0），也可以留空。一个读写设备读取这些符号和空白，从而向机器发出执行特定程序的指令。这听起来熟悉吗？那么，在量子图灵机中，区别在于磁带以及读写头都处于量子态。这意味着磁带上的符号可以是0或1，或者是0和1的叠加态；换句话说，符号同时是0和1（以及介于两者之间的所有点）。虽然普通的图灵机一次只能执行一个计算，但量子图灵机可以同时执行许多计算。

今天的计算机，像图灵机一样，通过操作处于两种状态之一（0或1）的比特来工作。量子计算机不限于两种状态；它们将信息编码为量子比特，或称qubits，它们可以处于叠加态。量子比特代表原子、离子、光子或电子，以及它们各自的控制设备，这些设备协同工作以充当计算机内存和处理器。由于量子计算机可以同时包含这些多种状态，它有可能比当今最强大的超级计算机强大数百万倍。

量子比特的这种叠加态赋予了量子计算机固有的并行性。根据物理学家大卫·德意志（David Deutsch）的说法，这种并行性使得量子计算机能够同时处理一百万个计算，而您的台式PC一次只能处理一个。一台30量子比特的量子计算机将相当于一台能够以10万亿次浮点运算每秒（teraflops）速度运行的传统计算机的处理能力。今天的典型台式计算机运行速度以每秒十亿次浮点运算（gigaflops）衡量。

量子计算机还利用量子力学的另一个方面，即纠缠。量子计算机概念的一个问题是，如果你试图观察亚原子粒子，你可能会碰触它们，从而改变它们的数值。如果你观察处于叠加态的量子比特以确定其数值，量子比特将取0或1中的一个值，而不是两者（这实际上会将你的时髦量子计算机变成一台普通的数字计算机）。为了制造实用的量子计算机，科学家必须设计出间接测量的方法，以保持系统的完整性。纠缠提供了一个潜在的解决方案。在量子物理学中，如果你对两个原子施加外力，可以使它们纠缠起来，第二个原子可以获得第一个原子的性质。因此，如果一个原子不受干扰，它会向所有方向旋转。一旦它受到扰动，它就会选择一个自旋方向或一个数值；同时，第二个纠缠的原子将选择一个相反的自旋方向或数值。这使得科学家无需实际观察量子比特就能知道它们的数值。

接下来，我们将探讨量子计算领域的一些最新进展。

量子计算机有朝一日可能会取代硅芯片，就像晶体管曾经取代真空管一样。但就目前而言，开发这种量子计算机所需的技术仍在我们的能力范围之外。量子计算的大部分研究仍处于非常理论化的阶段。

最先进的量子计算机目前尚未超越操纵16个以上量子比特的范畴，这意味着它们离实际应用还有很长的路要走。然而，量子计算机有一天能够快速、轻松地执行传统计算机上极其耗时的计算的潜力依然存在。在过去几年中，量子计算领域取得了一些关键进展。让我们看看其中一些已开发的量子计算机。

1998

洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院的研究人员成功地将一个量子比特分散到丙氨酸（一种用于分析量子态衰减的氨基酸）或三氯乙烯（一种用于量子纠错的氯化烃）液体溶液中每个分子的三个核自旋上。分散量子比特使其更难被破坏，从而允许研究人员利用纠缠来研究状态之间的相互作用，作为分析量子信息的间接方法。

2000

今年3月，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家宣布，他们开发出了一种仅用一滴液体就能实现的7量子比特量子计算机。这种量子计算机利用核磁共振（NMR）来操控反式巴豆酸分子原子核中的粒子。反式巴豆酸是一种由六个氢原子和四个碳原子组成的简单流体。核磁共振被用来施加电磁脉冲，迫使粒子对齐。这些处于平行或反向磁场位置的粒子使得量子计算机能够模拟数字计算机中比特的信息编码方式。

今年8月，IBM-阿尔马登研究中心的研究人员开发出了他们声称迄今为止最先进的量子计算机。这台5量子比特的量子计算机设计为允许五个氟原子的原子核之间相互作用充当量子比特，通过射频脉冲进行编程，并通过类似于医院中使用的核磁共振仪器进行检测（详情请参阅磁共振成像的工作原理）。在艾萨克·庄（Isaac Chuang）博士的带领下，IBM团队能够一步解决一个传统计算机需要重复多次循环才能解决的数学问题。这个问题被称为求阶（order-finding），它涉及寻找特定函数的周期，这是许多密码学相关数学问题的典型方面。

2001

IBM和斯坦福大学的科学家成功地在一台量子计算机上演示了Shor算法。Shor算法是一种寻找数字质因数的方法（在密码学中扮演着内在的角色）。他们使用一台7量子比特的计算机来找出15的因数。计算机正确推断出质因数是3和5。

2005

因斯布鲁克大学量子光学和量子信息研究所宣布，科学家们利用离子阱创造了第一个量子字节（qubyte），即一系列8个量子比特。

2006

滑铁卢和马萨诸塞州的科学家设计出了在12量子比特系统上进行量子控制的方法。随着系统使用更多量子比特，量子控制变得更加复杂。

2007

加拿大初创公司D-Wave展示了一台16量子比特的量子计算机。该计算机解决了一个数独难题和其他模式匹配问题。该公司声称将在2008年前生产出实用系统。怀疑者认为，实用的量子计算机仍需数十年才能问世，D-Wave创建的系统不可扩展，并且D-Wave网站上的许多声明根本不可能（或者至少以我们对量子力学的理解无法确定）。

如果能够制造出功能性的量子计算机，它们将在大数分解方面具有巨大价值，因此对于解码和编码秘密信息将极其有用。如果今天能制造出这样一台计算机，互联网上的任何信息都将不再安全。与量子计算机中可能实现的复杂方法相比，我们当前的加密方法显得简单。量子计算机还可以用于在传统计算机所需时间的一小部分内搜索大型数据库。其他应用可能包括使用量子计算机研究量子力学，甚至设计其他量子计算机。

但量子计算仍处于其发展的早期阶段，许多计算机科学家认为，创建实用量子计算机所需的技术尚需数年。量子计算机必须至少有几十个量子比特，才能解决现实世界的问题，从而成为一种可行的计算方法。

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