早在20世紀(jì)80年代，美國著名物理學(xué)家費曼提出了按照量子力學(xué)規(guī)律工作的計算機的概念，這被認(rèn)為是最早的量子計算機的構(gòu)想，此后科技界就沒有停止過探索。
近年來，量子計算機領(lǐng)域頻頻傳來重要進(jìn)展：美國霍尼韋爾公司表示研發(fā)出64量子體積的量子計算機，性能是上一代的兩倍；2020年底，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授等人成功構(gòu)建76個光子的量子計算機“九章”；2月初，我國本源量子計算公司負(fù)責(zé)開發(fā)的中國首款量子計算機操作系統(tǒng)“本源司南”正式發(fā)布……
作為“未來100年內(nèi)最重要的計算機技術(shù)”“第四次工業(yè)革命的引擎”，量子計算對于很多人來說，就像是屬于未來的黑科技，代表著人類技術(shù)水平在想象力所及范圍之內(nèi)的巔峰。世界各國紛紛布局量子計算并取得不同成就后證實，量子計算雖然一直“停在未來”，但“未來可期”。
20世紀(jì)60年代，平面型集成電路問世，光刻技術(shù)成為了半導(dǎo)體元器件性能的決定因素：只要光刻精度不斷提高，元器件的密度也會相應(yīng)提高。因此，平面工藝被認(rèn)為是“半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ)。
摩爾定律指出，平均每18個月，集成電路芯片上所集成的電路數(shù)目就翻一倍。雖然這并不是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)定律，但在一定程度上反映了信息化大數(shù)據(jù)時代人類對計算能力指數(shù)增長的期待。
隨著芯片集成度不斷提高，我們的手機、電腦等電子產(chǎn)品也在不斷更新?lián)Q代。那么，摩爾定律會不會被終結(jié)？
摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)天然地受到兩種主要物理限制：一是巨大的能耗讓芯片有被燒壞的危險。芯片發(fā)熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特，每丟失一個比特就會產(chǎn)生相應(yīng)熱量，操作速度越快，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越多，計算機溫度必然會迅速上升，必須消耗大量能量用于散熱，否則芯片將被高溫?zé)龎摹?/p>
二是量子隧穿效應(yīng)會限制集成電路的精細(xì)程度。為了提高集成度，晶體管會越做越小，當(dāng)晶體管小到只有一個電子時，量子隧穿效應(yīng)就會出現(xiàn)。在勢壘一邊平動的粒子，當(dāng)動能小于勢壘高度時，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際也是如此，這種現(xiàn)象稱為隧穿效應(yīng)。簡單來說，當(dāng)集成電路的精細(xì)程度達(dá)到了一定級別，特別是當(dāng)電路的線寬接近電子波長的時候，電子就通過隧穿效應(yīng)而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。
鑒于以上兩點，物理學(xué)家預(yù)言摩爾定律終將終結(jié)。現(xiàn)有基于半導(dǎo)體芯片技術(shù)的經(jīng)典計算機，芯片集成密度不可能永遠(yuǎn)增加，總會趨近于物理極限，應(yīng)付日益增長的數(shù)據(jù)處理需求可能越來越困難。
最新一代的英特爾酷睿處理器，它的芯片每一平方毫米的面積已經(jīng)集成了一億個晶體管。我國的太湖之光超級計算機，大約用了四萬多個CPU。如果摩爾定律終結(jié)，提高運算速度的途徑是什么？破局的方向指向了量子計算。
量子比特讓信息處理速度指數(shù)提升
給經(jīng)典計算機帶來障礙的量子效應(yīng)，反而成為了量子計算機的助力。
費曼認(rèn)為微觀世界的本質(zhì)是量子的，想要模擬它，就得用和自然界的工作原理一樣的方式，也就是量子的方式才行。他將物理學(xué)和計算機理論聯(lián)系到一起，提出了基于量子態(tài)疊加等原理的量子計算機概念。
比特是信息操作的基本單元，基于量子疊加態(tài)原理，科學(xué)家們嘗試用量子比特取代經(jīng)典比特。
經(jīng)典比特有且僅有兩個可能的狀態(tài)，經(jīng)常用“0”和“1”來表示，就好比一個開關(guān)，只有開和關(guān)兩個狀態(tài)。而量子比特就好比一個旋鈕，是連續(xù)可調(diào)的，它可以指向任何一個角度。也就是說，量子比特不只有兩個狀態(tài)，可以處于0和1之間任意比例的疊加態(tài)。想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當(dāng)你把它快速旋轉(zhuǎn)起來，你看到的既是正面，又是背面。于是，一臺量子計算機就像許多硬幣同時翩翩起舞。
假設(shè)一臺經(jīng)典計算機有兩個比特，在某一確定時刻，它最多只能表示00、10、01、11這四種可能性的一種；而量子計算由于疊加性，它可以同時表示出四種信息狀態(tài)。
對于經(jīng)典計算機來說，N個比特只可能處在2N個狀態(tài)中的一種情況，而對于量子比特來說，N個量子比特可以處于2N個狀態(tài)任意比例疊加。理論上，如果對N個比特的量子疊加態(tài)進(jìn)行運算操作，等于同時操控2的N次方個狀態(tài)。隨著可操縱比特數(shù)增加，信息的存儲量和運算的速度會呈指數(shù)增加，經(jīng)典計算機將望塵莫及。
