量子计算：后摩尔时代计算能力提升的解决方案
由朱晓波、陆朝阳、潘建伟等人撰写的这篇文章客观介绍了量子计算的原理、发展现状以及发展趋势：“实现‘量子计算优越性’的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑，它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性，但量子计算机距离能够解决有价值的实际问题，还有较长的路要走。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要10至15年甚至更长时间。”
量子计算是基于量子力学的全新计算模式，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。
与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。推而广之，n个量子比特便可表示2n个数的叠加，使得一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算，这相当于经典计算机进行2n次操作。因此，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。
类似于经典计算机，量子计算机也可以沿用图灵机的框架，通过对量子比特进行可编程的逻辑操作，执行通用的量子运算，从而实现计算能力的大幅提升，甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法（Shor算法）。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础，例如，如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数，需要10万年以上；而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机，则只需要1秒。因此，量子计算机一旦研制成功，将对经典信息安全体系带来巨大冲击。
● ● ●
目前，国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。
超冷原子、离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力，也是目前国际量子计算研究的热点方向。
我国近年来在超冷原子量子模拟方向取得的一系列重要成果，使得我国达到了和国际上顶尖团队并驾齐驱的水平。
我国在离子体系的量子计算研究起步较晚，目前整体上处于追赶状态，国内的优势研究单位包括清华大学、中国科大和国防科大等，在离子阱的制备、单离子相干保持时间、高精度量子逻辑门、多比特量子纠缠等量子计算的基本要素方面积累了大量关键技术。
我国在硅基量子点的量子计算方向上与国际主要研究力量处于并跑水平，中国科大、南方科大等在量子芯片材料、比特构造、逻辑门操控以及多比特扩展等方面具有研究优势。
此外，由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性，利用拓扑体系实现通用量子计算机是国际上面向长远的重要研究目标。目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。清华大学、中科院物理所、上海交大以及中国科大等单位在该方向具有研究优势。
实现“量子计算优越性”的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑，它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性，但量子计算机距离解决有价值的实际问题，还有很长的路要走。未来5至10年，量子计算的发展将集中在两个方面：
一、继续提升量子计算性能。为了实现容错量子计算，核心要素是高精度地扩展量子计算系统规模。为实现这一目标，量子比特的数量和质量都极其重要，需要实验的每个环节（量子态的制备、操控和测量）都要保持高精度、低噪声，并且随着量子比特数目的增加，噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加，这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战，仍需大量科学和工程的协同努力。
二、探索量子计算应用。预计未来5年，量子计算有望突破上千比特，虽然暂时还无法实现容错的通用量子计算，但科学家们希望探索在带噪声的量子计算（NISQ）阶段，如何将量子计算应用于机器学习、量子化学等领域，形成近期应用。
关于量子科话
量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。
量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。
