量子計算，這可是顛覆性的新技術

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息、運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。現在或許還無法準確預測「量子計算機時代」何時到來，但在科學家看來，已經沒有什麼原理性的困難可以阻擋這種革命性、顛覆性產品的誕生。

量子計算機研製（圖片來源於網路）

以半導體晶元為核心的計算機的發明成就了現代信息技術產業（硬體、軟體、網路、通信等）的高速發展，深刻改變了人類的社會活動形式，甚至是國防安全和國家核心競爭力。半導體集成電路晶元幾十年以來一直沿著「摩爾定律」發展，單位晶元上晶體管數目越來越多，集成度越來越高。

截止到目前，集成電路晶元製造工藝處於14&10nm技術代量產階段，更小尺寸的技術代（7nm和5nm）處於研發階段。在可預見的未來將達到控制電子的物理極限，當單個晶體管縮小到只能容納一個或幾個電子時，就會出現單電子晶體管（量子點），量子隧穿效應將不可避免的影響電子元器件的正常工作。儘管科研人員正在努力通過各種手段進一步延續晶體管的製程尺寸並同時開發多核晶元技術，但相關技術只能在有限範圍內優化傳統晶元性能，無法阻止「摩爾定律」必將被打破的歷史趨勢。

集成電路晶元（圖片來源於網路）

當現代計算機晶元在經典物理領域內無法進一步提升結構性能時，可以研究探索有別於當前計算機架構的新型結構和多核晶元，或者研究量子力學規律開發量子計算。新型結構需要拋棄當前計算機所遵循的馮·諾依曼架構，而量子計算則需要改變現有半導體晶元的基本結構，利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算。國際半導體技術發展路線圖認為多核晶元等技術只能短期延續摩爾定律，中長期必然要發展以量子物理為基礎的量子計算等顛覆性、革命性新型器件來超越摩爾定律，信息的量子化趨勢將不可避免。量子計算是晶元尺寸突破經典物理極限的必然產物，是後摩爾時代具有標誌性的技術。

對於現代計算機而言，通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個數據到底是「1」還是「0」，採用「1」或「0」的二進位數據模式，俗稱經典比特，其在工作時將所有數據排列為一個比特序列，對其進行串列處理。而量子計算機使用的是量子比特，量子計算機能秒殺傳統計算機得益於兩個獨特的量子效應：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態，量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態，創造出一種超級疊加，實現量子並行計算，其計算能力可隨著量子比特位數的增加呈指數增長。理論上，擁有50個量子比特的量子計算機性能就能超過目前世界上最先進的超級計算機「天河二號」，擁有300個量子比特的量子計算機就能支持比宇宙中原子數量更多的並行計算，量子計算機能夠將某些經典計算機需要數萬年來處理的複雜問題的運行時間縮短至幾秒鐘。這一特性讓量子計算機擁有超強的計算能力，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案，並可揭示高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制，為先進材料製造和新能源開發等奠定科學基礎。

量子計算機工作原理（圖片來源於網路）

此外，量子計算的信息處理過程是幺正變換，幺正變換的可逆性使得量子信息處理過程中的能耗較低，能夠從原理上解決現代信息處理的另一個關鍵技術--高能耗的問題。因此，量子計算技術是後摩爾時代的必然產物。

量子計算技術不僅能克服現代半導體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應，還能利用量子效應實現功能強大的並行計算，極大地提高計算速度和信息處理能力。規模化通用量子計算機的誕生將極大地滿足現代信息的需求，在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，甚至對國家的國際地位、經濟發展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發揮關鍵性作用。

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