量子计算机（quantum computer）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。

 

Alan Turing 于19世纪30年代提出的图灵机包含一条无限长的、被分成无数小格的带子。每个格子要么保存一个符号（1或0）要么是空白。一个读写装置可以读取这些符号和空白，它们构成了图灵机的程序指令。听起来是否有些耳熟呢？那么对于量子图灵机，区别在于带子和读写头都以量子态存在的。这意味着带子上的符号除了可以是0或1，还可以是0和1的叠加。常规的图灵机每次只能完成一个计算，而量子图灵机可以同时进行多个计算。

今天我们使用的计算机像图灵机一样，通过操作具有两种状态的位元（0或1）进行工作。量子计算机不只依靠两种状态。它们将信息编码为量子比特，或称昆比特（qubit）。量子比特可以是1或0，也可以是某种叠加态：即同时是1、0或二者之间的某个值。量子比特由一组原子实现，它们协同工作起到计算机内存和处理器的作用。因为量子计算机可以同时包含这几种状态，所以它可能比当今功能最强大的超级计算机还要强大数百万倍的计算机。

 

 量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

　　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。遗撼的是，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（也称“退相干”）。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。

   量子计算机还利用了量子力学的另一个机制，即纠缠。量子计算机的设想存在一个问题：若对亚原子水平的粒子进行观察则会破坏粒子的状态，即改变了它们代表的值。但是在量子物理中，对两个原子施加外界作用可导致它们互相纠缠，使第二个原子具有第一个原子的性质。因此当不受干扰时，原子的自旋方向是不定的，而一旦受到扰动，原子就会选择一个确定的方向或值。同时第二个处于纠缠的原子会选择相反的方向或值。这个原理使科学家们能够不进行实际的观察而得到量子比特的值，从而避免将它们塌缩回1或0的状态。

二 量子计算机实验进展

　　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。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。而是要在某些特殊领域，比如巨大数量的并行运算方面使用它。

 

中国科技大学在国际上率先连续实现三光子、四光子、五光子、六光子纠缠实验（就是利用了量子相干性，在实际系统中保持量子相干性），分别在2005年与2006年连续入选美国物理学会评选的年度十大重大进展，也是我国本土科学家仅有的两次。中国科大是目前国际量子信息研究机构中最优秀的三家之一。
　　
中科大在量子计算机的研制上，领跑世界，实现了世界上第一台量子计算机的雏形，研究成果发表在2007年12月19日出版的国际权威物理学最权威的期刊《 Physical Review Letters》上，标志着我国光学量子计算机研究达到了国际领先水平。 　　 Demonstration of a compiled version of Shor's quantum factoring algorithm using photonic qubits

　chao-Yang Lu, Daniel E. Browne, Tao Yang, and Jian-Wei Pan

　　 We report an experimental demonstration of a complied version of Shor's algorithm using four photonic qubits. We choose the simplest instance of this algorithm, that is, factorization of $N=15$ in the case that the period $r=2$ and exploit a simplified linear optical network to coherently implement the quantum circuits of the modular exponential execution and semi-classical quantum Fourier transformation. During this computation, genuine multiparticle entanglement is observed which well supports its quantum nature. This experiment represents an essential step toward full realization of Shor's algorithm and scalable linear optics quantum computation.

 

今年加拿大计算机公司D-Wave宣布，全球首台真正的商用量子计算机D-Wave One诞生了！其采用了128-qubit（量子比特）的量子处理器，理论运算速度远远超越现有所有的超级计算机。由于其架构特别的关系，目前只能用于处理部分特定的任务，通用性还有尚不及现有的传统电脑。同时，D-Wave One在散热方面亦有非常苛刻的要求，自启动起其必须全程采用液氦散热。　一台D-Wave One的售价高达1000万美元，而且这个价格还未包括其中的液氦散热系统。