[新闻]量子电脑下周揭晓

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加拿大British Columbia公司D-Wave Systems宣称已经建立了一个"量子电脑(quantum computer)",并且在下周将进行展示一个16-量位(qubit)的模型. 当大多数科学家相信实用的量子系统至少在20年开外,D-Wave称期望在明年开始销售量子电脑,它能解决从蛋白质结构到财务优化的各种复杂难题.
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量子电脑有着比现在传统电脑强大得"离谱"的计算能力,理论研究已日趋完善,而缺乏的是实用价值的系统,目前各国的科学家们都在紧张的研究.


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曾经的科幻即将成为活生生的现实：全球第一台商用量子计算机将在下周亮相展示，其核心便是一块超低温、超导铌芯片，可处理16个量子位(qubit)。

此前的大多数量子计算研究都更关注通信或者加密解密，而加拿大温哥华的D-Wave Systems Inc.公司这台“Orion”(猎人，猎户座)的主要目的则是解决多元组合问题，比如它只需要几个循环就能解决NP问题中最困难的“NP-complete”，相比传统电子计算机耗费数千个循环才只能得到近似值着实是质的飞跃。

Orion 是使用传统的平版印刷术和超导金属铌造出的，然后冷却至接近绝对零度(-273.15℃)，以便在计算过程中维持其量子状态。与现场可编程门阵列 (FPGA)类似，这种芯片首先会花一点儿时间建立运算体系，然后重新配置内部连接，以匹配每一个问题。这一过程完成后，就能在“瞬间”得出答案。与 FPGA类似，Orion也可以软件编程，以适应具体问题。

D-Wave将于4天后的本月13日在加州山景城的计算历史博物馆展示这台量子计算机，之后通过一个安全的互联网连接提供对外访问和使用，最终开始销售这种系统。

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量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。