量子计算机（英文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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机，其特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。传统计算机曾推动我们进入信息化和数字化时代，而量子计算机则将推动我们进入下一个新的信息时代。
1982年，美国物理学家理查德·费曼教授在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。紧接其后，英国物理学家戴卫·杜斯教授于1985年提出了量子图灵机模型。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。费曼教授当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可以大幅度减少，从而量子计算机的概念诞生了。
90年代，实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。尤其值得一提的是，1994年美国科学家皮特·休尔教授证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的 RSA 公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击，几年后美国计算机专家洛弗•格罗弗博士提出“量子搜寻算法”，可以破译 DES 密码体系。于是各国政府纷纷投入大量的资金和科研力量进行量子计算机的研制，如今这一领域已经形成一门新型学科——量子信息学。
1996年初，中国科学家及未来学家周海中教授在美国芝加哥举行的学术讲座《信息时代的计算技术》中指出：“智能计算和量子计算在信息时代有着重要的价值和意义，它们将成为21世纪两大计算技术。”就目前情况看，智能计算已成为现实，量子计算将得以证实。众所周知，传统计算机（也称“经典计算机”）是通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则以量子的状态作为计算形式。目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子。
量子计算机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。当计算机有n个存储器时，传统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传统模式的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传统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，量子计算领域近年异常热闹，许多科研机构都进军该领域。
2019年10月，美国谷歌公司的研究人员声称，基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统，它花费约200秒完成的任务，而传统超级计算机要1万年才能完成。另外该公司的研究人员最近借助量子计算机，首次成功模拟了一个化学反应。最近，中国科学技术大学的研究团队成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。
建造量子计算机最大的困难在于量子系统非常脆弱，容易发生退相干：由于误差的不断积累，量子性丢失，成为经典态。怎样控制误差也成为量子计算成功与否的关健。目前有两种思路：一是计算过程中随时纠错，二是依靠特殊材料能够不受某些误差的破坏。据专家预测，到2030年量子计算机将扩展到50个量子位，届时将实现量子霸权，即专用型量子计算机针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机。
近日，量子计算行业的“蓝色巨人”IBM公司宣布了一项为期10年、耗资1亿美元的计划——该公司将与日本东京大学和美国芝加哥大学合作建造由10万个量子比特驱动的量子计算机。如果该计划实现，将能够解决一系列世界上迫切需要解决的问题，例如找出新药物、探索暗物质、破译密码等，迎来以量子为中心的超级计算机时代。IBM公司的愿景是，10万量子比特的量子计算机与最好的经典超级计算机一起工作，在药物发现、肥料生产、电池性能和许多其他应用方面实现新的突破。
量子计算机拥有强大的量子信息处理能力，对于目前海量的信息，能够从中提取有效的信息进行加工处理使之成为新的有用的信息。由于量子计算机在并行运算上的强大能力，使它有能力快速完成传统计算机无法完成的计算；这种优势在加密和破译等领域有着巨大的应用。另外由于量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力，同时也是发展高新技术，尤其是人工智能（AI）的关键。因此可以说，量子计算机将推动我们进入下一个新的信息时代。
文/杜明(作者单位：瑞士日内瓦大学科学系)
