专家说法｜李阳：量子计算到底是什么意思？
李阳 丹麦技术大学信息技术和数学建模系教授
近年来，量子计算（Quantum Computing）领域频频传来重要进展；量子计算已成为引发激烈角逐的科技前沿项目之一，相关竞争有愈演愈烈之势。那么，量子计算到底是什么意思？下面就简要谈谈这一问题。
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。1982年，美国著名物理学家理查德·费曼先生提出了量子计算的概念，并指出以量子力学为基础的计算机在处理特定问题时，具有远超经典计算机的能力优势。这一概念提出后，引起了计算机领域的广泛关注，并在90年代先后诞生了著名的Shor算法、Grover算法等，为后来量子计算技术发展奠定了重要的理论基础。
量子计算的主要原理就是利用了量子态的叠加性和纠缠性。比特作为计算的基本信息处理单元，具有0和1两种逻辑态，且在经典计算模式只能处于0或1的一种，而量子比特却能够处于0和1的叠加态。换言之，每个经典存储器仅能存储0或1其中一个，而量子存储器却能同时存储0和1。因此，当计算机有n个存储器时，经典计算模式每操作一次只能变化一个数据，而量子计算模式每操作一次则变化了2^n个数据，量子计算的数据处理能力是经典模式的2^n倍。当n足够大时，量子计算的优势将十分明显。
从可计算的问题来看，量子计算机只能解决经典计算机（即传统的电子计算机）所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。因此，量子计算领域近期异常热闹，许多科研机构都已进军该领域。
2020年，美国谷歌公司研究人员借助量子计算机，首次成功模拟了一个化学反应。他们表示，尽管这一反应很简单，但却是量子计算机走向实用化的重要一步。量子计算机模拟化学分子用处巨大。除了谷歌外，其他拥有量子计算技术的公司也在研究，微软就是其中一员；该公司曾经发表过一篇文章，用量子计算帮助化学家寻找催化剂，将二氧化碳转化为甲醛，展示了量子计算与化学结合的应用前景。未来可以将这种算法扩大规模，来模拟更复杂的反应。而要模拟更大分子的反应，还需要更多的量子比特。
日本信息通信技术公司（ICT）富士通最近宣布已成功开发出世界上速度最快的模拟量子计算机，包含36个量子位，可以实现相当于其他量子模拟器的两倍性能；借助软硬件的高速性能，这一模拟量子计算机未来将成为发展量子计算应用的重要桥梁。另外，富士通还开发了一种新方法，根据量子电路的进度和计算结果，重新排列分布式内存中的量子位状态，有助于降低通信成本。富士通的目标是利用新型模拟量子计算机，为其用户推动量子应用的发展，并解决社会面临的一系列问题。
丹麦技术大学的一个研究团队日前首次使用量子计算机进行了电网计算：使用五种不同的专用量子计算机，应用HHL算法并研究了当前噪声量子硬件对AC潮流算法的准确性、速度的影响力。研究人员在具有真实量子计算机的3总线（3-bus）和5总线（5-bus）系统上执行了相同的研究，以确定与这些算法的可扩展性相关挑战和开放研究问题。潮流问题背后的新算法需要新的工具，这是当今超级计算机无法完成的，因此他们才决定利用量子计算机去开拓更多的可能性。
量子计算分为通用量子计算和专用量子计算两类，前者具有通用性能够解决各类计算难题，后者则是专门针对某类计算难题。目前，科研学术主要集中于专用量子计算领域，如包含128量子比特的D-Wave one在2011年就被用于先进武器设计和雷达开发测试等领域。中国著名学者周海中先生曾经说过：计算不仅是数学的基础技能，而且是整个科学的基本工具。毫无疑问，作为一种计算工具，量子计算将在各学科领域发挥越来越重要的作用。
（作者为丹麦技术大学信息技术和数学建模系教授）
