量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。廣義上，當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，就可稱之為量子計算機。

量子計算機的特點主要有運行速度較快、處置信息能力較強、應(yīng)用范圍較廣等。與一般計算機比較起來，信息處理量愈多，對于量子計算機實施運算也就愈加有利，也就更能確保運算具備精準(zhǔn)性。量子計算機的計算基礎(chǔ)是量子比特。

2019年，美國谷歌公司研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，在全球首次實現(xiàn)量子優(yōu)越性。2020年，潘建偉團隊構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，使中國成為全球第二個實現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。2021年，潘建偉團隊成功研制含113個光子的“九章二號”和66比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，從而使中國成為在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線上都實現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。2023年10月11日，量子計算原型機“九章三號”被成功構(gòu)建，它1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級計算機約需200億年才能完成。

不過，要研制成功真正的通用量子計算機還有很長的路要走。國際主流觀點認(rèn)為，這至少還需要5年到10年的時間。

2025年3月，芬蘭國家技術(shù)研究中心推出歐洲首臺50量子比特超導(dǎo)量子計算機。

基本概念

量子計算機是一種可以實現(xiàn)量子計算的機器，它通過量子力學(xué)規(guī)律實現(xiàn)數(shù)學(xué)和邏輯運算，處理和儲存信息。理論上，它是一個物理系統(tǒng)，以量子比特（qubit）為基本存儲單元，以量子動力學(xué)演化為信息計算的基礎(chǔ)。在具體實現(xiàn)中，目前主要的技術(shù)路線可以歸納為六種：超導(dǎo)、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓?fù)洹?/p>

組成

量子計算機和許多計算機一樣都是由許多硬件和軟件組成的，軟件方面包括量子算法、量子編碼等，在硬件方面包括量子晶體管、量子存儲器、量子效應(yīng)器等。

量子晶體管就是通過電子高速運動來突破物理的能量界限，從而實現(xiàn)晶體管的開關(guān)作用，這種晶體管控制開關(guān)的速度很快，晶體管比起普通的芯片運算能力強很多，而且對使用的環(huán)境條件適應(yīng)能力很強，所以在未來的發(fā)展中，晶體管是量子計算機不可缺少的一部分。量子儲存器是一種儲存信息效率很高的儲存器，它能夠在非常短時間里對任何計算信息進行賦值，是量子計算機不可缺少的組成部分，也是量子計算機最重要的部分之一。量子計算機的效應(yīng)器就是一個大型的控制系統(tǒng)，能夠控制各部件的運行。這些組成在量子計算機的發(fā)展中占領(lǐng)著主要的地位，發(fā)揮著重要的運用。

原理

量子計算機是一種基于量子理論而工作的計算機。追根溯源，是對可逆機的不斷探索促進了量子計算機的發(fā)展。量子計算機裝置遵循量子計算的基本理論，處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論。

量子比特

會“72變”的中國“算力”

經(jīng)典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態(tài)的物理系統(tǒng)，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態(tài)│0>和│1>代替經(jīng)典比特狀態(tài)0和1。量子比特相較于比特來說，有著獨特的存在特點，它以兩個邏輯態(tài)的疊加態(tài)的形式存在，這表示的是兩個狀態(tài)是0和1的相應(yīng)量子態(tài)疊加。周圍環(huán)境微小的擾動，如溫度、壓力或磁場變化，都會破壞量子比特。

態(tài)疊加原理

疊加態(tài)、約瑟夫森結(jié)、布洛赫球...超導(dǎo)量子計算機到底是個啥?

現(xiàn)代量子計算機模型的核心技術(shù)便是態(tài)疊加原理，屬于量子力學(xué)的一個基本原理。一個體系中，每一種可能的運動方式就被稱作態(tài)。在微觀體系中，量子的運動狀態(tài)無法確定，呈現(xiàn)統(tǒng)計性，與宏觀體系確定的運動狀態(tài)相反。量子態(tài)就是微觀體系的態(tài)。

量子糾纏

量子糾纏：當(dāng)兩個粒子互相糾纏時，一個粒子的行為會影響另一個粒子的狀態(tài)，此現(xiàn)象與距離無關(guān)，理論上即使相隔足夠遠，量子糾纏現(xiàn)象依舊能被檢測到。因此，當(dāng)兩粒子中的一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，即此粒子被操作時，另一個粒子的狀態(tài)也會相應(yīng)的隨之改變。

量子并行原理

量子優(yōu)越性：量子計算機在哪里超越了經(jīng)典計算機？

量子并行計算是量子計算機能夠超越經(jīng)典計算機的最引人注目的先進技術(shù)。量子計算機以指數(shù)形式儲存數(shù)字，通過將量子位增至300個量子位就能儲存比宇宙中所有原子還多的數(shù)字，并能同時進行運算。函數(shù)計算不通過經(jīng)典循環(huán)方法，可直接通過幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實現(xiàn)可逆計算。

研究進程

20世紀(jì)80年代初期，Benioff首先提出了量子計算的思想，他設(shè)計一臺可執(zhí)行的、有經(jīng)典類比的量子Turing機——量子計算機的雛形。

1982年，F(xiàn)eynman發(fā)展了Benioff的設(shè)想，提出量子計算機可以模擬其他量子系統(tǒng)。為了仿真模擬量子力學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)eynman提出了按照量子力學(xué)規(guī)律工作計算機的概念，這被認(rèn)為是最早量子計算機的思想。

1985年，牛津大學(xué)的David Deutsch在發(fā)表的論文中，證明了任何物理過程原則上都能很好地被量子計算機模擬，并提出基于量子干涉的計算機模擬即“量子邏輯門”這一新概念，并指出量子計算機可以通用化、量子計算錯誤的產(chǎn)生和糾正等問題。由Zurek作了深入的分析和研究。但到了20世紀(jì)80年代中期，這一研究領(lǐng)域由于若干原因被冷落了。首先，因為當(dāng)時所有的量子計算機模型都是把量子計算機看成是一個不與外界環(huán)境發(fā)生作用的孤立系統(tǒng)，而不是實際模型。其次，存在許多不利于實現(xiàn)量子計算機的制約因素，如Landauer指出的去相干、熱噪聲等等。另外，量子計算機可能易出錯，而且不易糾錯。最后，還不清楚量子計算機解決數(shù)學(xué)問題是否比經(jīng)典計算快。

1994年，AT&T公司的Perer Shor博士發(fā)現(xiàn)了因子分解的有效量子算法。1996年，S.Loyd證明了Feynman的猜想，他指出模擬量子系統(tǒng)的演化將成為量子計算機的一個重要用途，由此量子計算機可以建立在量子圖靈機的基礎(chǔ)上，高效地解決電子計算機無法在多項式時間內(nèi)解決的問題。

從此，隨著計算機科學(xué)和物理學(xué)間跨學(xué)科研究的突飛猛進，量子計算的理論和實驗研究蓬勃發(fā)展，各國政府和各大公司也紛紛制定了針對量子計算機的一系列研究開發(fā)計劃。美國的高級研究計劃局先后于2002年12月和2004年4月制定了一個名為“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”的研究計劃的1.0版以及2.0版，該計劃詳細(xì)介紹了美國發(fā)展量子計算的主要步驟和時間表。日本于2000年10月開始為期5年的量子計算與信息計劃，重點研究量子計算和量子通訊的復(fù)雜性、設(shè)計新的量子算法、開發(fā)健壯的量子電路、找出量子自控的有用特性以及開發(fā)量子計算模擬器。歐洲在量子計算及量子加密方面也作了積極的研究開發(fā)，在德國總理默克爾推動下，德國政府投入20億歐元在德國和歐洲推廣量子技術(shù)，默克爾認(rèn)為，“毫無疑問，量子計算機是德國高科技地位的光輝展示。世界上其他地方都在這個領(lǐng)域努力奮進?！?/p>

2007年，加拿大DWave公司成功研制出一臺具有16量子比特的“獵戶星座”量子計算機，并于2008年2月13日和2月15日分別在美國加州和加拿大溫哥華展示他們的量子計算機。

2009年11月15日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制出可處理兩個量子比特數(shù)據(jù)的量子計算機。

2015年6月22日，D-wave宣布其突破了1000量子位的障礙、開發(fā)出了一種新的處理器，其量子位為上一代D-Wave處理器的兩倍左右，并遠超D-Wave或其他任何同行開發(fā)的產(chǎn)品的量子位。

2017年3月6日，IBM宣布將于年內(nèi)推出全球首個商業(yè)“通用”量子計算服務(wù)IBM。IBM表示，此服務(wù)配備有直接通過互聯(lián)網(wǎng)訪問的能力，在藥品開發(fā)以及各項科學(xué)研究上有著變革性的推動作用，已開始征集消費用戶。除了IBM，其他公司還有英特爾、谷歌以及微軟等，也在實用量子計算機領(lǐng)域進行探索。

2017年5月3日，中國科學(xué)院潘建偉團隊構(gòu)建的光量子計算機實驗樣機計算能力已超越早期計算機。此外，中國科研團隊完成了10個超導(dǎo)量子比特的操縱，成功打破了當(dāng)時世界上最大位數(shù)的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量的記錄。

2020年6月18日，中國科學(xué)院宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計算和模擬研究中取得重要進展——在理論上提出并實驗實現(xiàn)原子深度冷卻新機制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實現(xiàn)了1250對原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)模化量子計算與模擬奠定了基礎(chǔ)。這一成果19日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

超算幾億年才能解決的問題，中國首臺量子計算機，只需兩百秒

2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而當(dāng)時世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。12月4日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了該成果，審稿人評價這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。

2021年2月8日，中科院量子信息重點實驗室的科技成果轉(zhuǎn)化平臺合肥本源量子科技公司，發(fā)布具有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子計算機操作系統(tǒng)“本源司南”。

2021年7月27日，東京大學(xué)與日本IBM宣布，商用量子計算機已開始投入使用，這在日本屬于首次。

2021年11月15日，據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報道，IBM公司宣稱，其已經(jīng)研制出了一臺能運行127個量子比特的量子計算機“鷹”，這是迄今全球最大的超導(dǎo)量子計算機。

2022年1月，德國于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)啟動了擁有超過5000個量子位元的量子計算機，是歐洲量子計算機發(fā)展的一個重要里程碑。該臺超級量子計算機由加拿大量子計算系統(tǒng)供應(yīng)商D-Wave公司制造。

2022年6月9日，英國國防部稱獲得政府首臺量子計算機。英國國防部表示將與英國量子計算機開發(fā)商Orca Computing共同合作，探索量子技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用。

2022年8月9日，據(jù)共同社報道，日本分子科學(xué)研究所的團隊實現(xiàn)了量子計算機“雙量子位門”中的全球最高速，比谷歌公司此前的世界紀(jì)錄快1倍以上，為6.5納秒（納秒是10億分之一秒）。

2022年8月25日，“量見未來”量子開發(fā)者大會上，百度正式對外發(fā)布其第一臺產(chǎn)業(yè)級超導(dǎo)量子計算機——“乾始”，集量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體，提供移動端、PC端、云端等在內(nèi)的全平臺使用方式。

王炸中的王炸？英國量子計算大突破，人類或在3年內(nèi)進入量子時代

2022年11月，來自芬蘭和歐洲量子計算公司IQM的科學(xué)家研制出了一種新的超導(dǎo)量子比特“獨角獸”，并以99.9%的置信度利用“獨角獸”實現(xiàn)了量子邏輯門。這是構(gòu)建商用量子計算機的重大里程碑，有望推動量子計算機的應(yīng)用。

2023年5月25日，北京量子信息科學(xué)研究院在2023中關(guān)村論壇正式發(fā)布Quafu（夸父）量子計算云平臺，現(xiàn)上線了三枚超導(dǎo)量子芯片，分別有136、18和10個量子比特，用戶可以自主選擇合適的芯片運行量子計算任務(wù)，其運行穩(wěn)定高效。

2023年10月11日，中國科學(xué)家宣布成功構(gòu)建量子計算原型機“九章三號”，它1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級計算機約需200億年才能完成?！熬耪氯枴睂崿F(xiàn)了對255個光子的操縱能力，極大提升了計算的復(fù)雜度。

2023年12月4日，美國國際商用機器公司（IBM）正式推出了第三代量子芯片Heron，以及基于Heron的IBM量子系統(tǒng)2（IBM Quantum System Two），這是世界上第一臺模塊化的實用量子計算機，雖僅擁有133個量子比特，但錯誤率卻創(chuàng)下了歷史新低，比其之前的量子處理器低三倍。而同時發(fā)布的另一名為Condor的芯片擁有1,121個超導(dǎo)量子比特，呈蜂巢狀排列，突破了芯片設(shè)計的規(guī)模和產(chǎn)量極限。

2023年12月，美國波士頓量子計算初創(chuàng)公司QuEra建造的新型量子計算機問世，其刷新了邏輯量子比特數(shù)的記錄——達到48個。邏輯量子比特比基于物理量子比特的系統(tǒng)更可控，能更好地糾正量子計算中的錯誤。盡管目前運行的測試比實際應(yīng)用要簡單，但這無疑是相關(guān)研究向前邁出的重要一步。

我國第三代自主超導(dǎo)量子計算機全球訪問量突破2000萬次

2024年1月6日，我國第三代自主超導(dǎo)量子計算機“本源悟空”上線運行?！拔蚩铡贝钶d了72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，共有198個量子比特，其中包含72個工作量子比特和126個耦合器量子比特，是目前先進的可編程、可交付超導(dǎo)量子計算機。

2025年3月4日，芬蘭國家技術(shù)研究中心發(fā)布新聞稿說，該中心和IQM量子計算機公司已成功研發(fā)并推出了歐洲首臺50量子比特超導(dǎo)量子計算機。

2025年7月，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)、意大利米蘭大學(xué)、西班牙格拉納達大學(xué)和日本東京大學(xué)的研究團隊首次提出了一種新方法，能夠模擬特定類型的容錯量子計算，攻克了該領(lǐng)域長期存在的一項技術(shù)難題。相關(guān)論文發(fā)表于《物理評論快報》雜志。

難點

上海交大金石：量子計算難，通用尚遠，中國有望5-10年實現(xiàn)專用

量子計算機的研究難點主要集中在以下幾個方面。這些難點相互交織，使得量子計算的研究和發(fā)展需要跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新，涉及物理學(xué)、計算機科學(xué)、材料科學(xué)、電子工程等多個領(lǐng)域：

1.量子比特的制備與操控

量子比特（qubits）是量子計算的基本單位，需要穩(wěn)定、可控并且具有長的相干時間。

強大的量子計算機，為何仍遙遙無期？量子比特的摩爾定律很特別

實現(xiàn)高質(zhì)量的量子比特非常困難，因為它們對環(huán)境的干擾非常敏感，容易產(chǎn)生噪聲和錯誤。

2.糾錯與容錯機制

由于量子比特容易受噪聲影響，量子計算需要高效的糾錯機制來保證計算的準(zhǔn)確性。

經(jīng)典計算機通過重復(fù)和糾錯碼來處理錯誤，但量子糾錯需要更加復(fù)雜的方法，如表面碼（surface code）等。

3.量子糾纏的維持

量子糾纏是量子計算的核心資源，維持量子糾纏態(tài)的穩(wěn)定性非常困難，因為量子態(tài)之間的糾纏很容易被環(huán)境中的熱噪聲和其他干擾破壞。

4.物理實現(xiàn)的選擇

離子阱系統(tǒng),與量子計算的前沿探索

目前有多種物理體系可以用來實現(xiàn)量子計算，如超導(dǎo)電路、離子阱、拓?fù)淞孔佑嬎?、光子量子計算等。各種實現(xiàn)方式都有其獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，選擇適合的物理體系并加以改進是關(guān)鍵。

5.規(guī)?；c集成化

要實現(xiàn)實用的量子計算，需要將數(shù)千甚至上百萬的量子比特集成在一起，并進行有效的控制和通信?，F(xiàn)有技術(shù)在大規(guī)模集成和相互連接上還存在很大瓶頸。

優(yōu)勢

氣象萬千，如何算得準(zhǔn)?量子計算為您揭秘!

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力，對于海量的信息，能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息。量子信息的處理先需要對量子計算機進行儲存處理，之后再對所給的信息進行量子分析。運用這種方式能準(zhǔn)確預(yù)測天氣狀況，目前計算機預(yù)測的天氣狀況的準(zhǔn)確率達75%，但是運用量子計算機進行預(yù)測，準(zhǔn)確率能進一步上升，更加方便人們的出行。

傳統(tǒng)的計算機通常會受到病毒的攻擊，直接導(dǎo)致電腦癱瘓，還會導(dǎo)致個人信息被竊取，但是量子計算機由于具有不可克隆的量子原理這些問題不會存在，在用戶使用量子計算機時能夠放心地上網(wǎng)，不用害怕個人信息泄露。另一方面，量子計算機擁有強大的計算能力，能夠同時分析大量不同的數(shù)據(jù)，所以在金融方面能夠準(zhǔn)確分析金融走勢，在避免金融危機方面起到很大的作用；在生物化學(xué)的研究方面也能夠發(fā)揮很大的作用，可以模擬新的藥物的成分，更加精確地研制藥物和化學(xué)用品，這樣就能夠保證藥物的成本和藥物的藥性。

應(yīng)用前景

量子計算機理論上具有模擬任意自然系統(tǒng)的能力，同時也是發(fā)展人工智能的關(guān)鍵。由于量子計算機在并行運算上的強大能力，使它有能力快速完成經(jīng)典計算機無法完成的計算。這種優(yōu)勢在加密和破譯等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用。

天氣預(yù)報

如果我們使用量子計算機在同一時間對于所有的信息進行分析，并得出結(jié)果，那么我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經(jīng)濟損失。

藥物研制

量子計算機對于研制新的藥物也有著極大的優(yōu)勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，并且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發(fā)明新型藥物的速度，并且能夠更個性化的對于藥理進行分析。

交通調(diào)度

量子計算機可以根據(jù)現(xiàn)有的交通狀況預(yù)測交通狀況，完成深度的分析，進行交通調(diào)度和優(yōu)化。

保密通信

改變世界的量子科技 量子加密通信：抵御黑客入侵 不可被破解

不僅僅是對于我們生活相近的方面，量子計算機對于加密通信由于其不可克隆原理，將會使得入侵者不能在不被發(fā)現(xiàn)的情況下進行破譯和竊聽，這是量子計算機本身的性質(zhì)決定的。

當(dāng)?shù)貢r間2022年6月9日，英國國防部宣布，獲得政府首臺量子計算機。

最新進展

2022年8月25日，“量見未來”量子開發(fā)者大會上，百度正式對外發(fā)布其第一臺產(chǎn)業(yè)級超導(dǎo)量子計算機——“乾始”，集量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體，提供移動端、PC端、云端等在內(nèi)的全平臺使用方式。

百度發(fā)布“乾始”推出“量羲”讓小白也能玩上真正的量子計算

一起探訪百度量子計算硬件實驗室，實地揭秘百度超導(dǎo)量子計算機！

2022年10月4日，歐洲高性能計算聯(lián)合企業(yè)（EuroHPC JU）宣布，將選擇捷克、德國、西班牙、法國、意大利、波蘭六個成員國來部署史上第一個歐洲量子計算機網(wǎng)絡(luò)，它將整合這六個國家現(xiàn)有的超級計算機，形成一個量子計算網(wǎng)絡(luò)，于2023年下半年投入使用。

2022年10月，首個量子可擴展算法面世。該研究在量子計算機上揭示了強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的重要特性，有望催生更高效的太陽能電池。

4臺“中國造”量子計算機首次免費向中國公民開放參觀!零距離了解現(xiàn)實版流浪地球MOSS雛形

2023年2月12日，本源量子的4臺“中國造”量子計算機亮相安徽合肥，并首次向中國公民免費開放參觀。

2023年3月9日，據(jù)日本東京電視臺報道，日本理化學(xué)研究所開發(fā)的第一臺日本國產(chǎn)量子計算機將于3月27日投入使用。

2024年1月，安徽省量子計算工程研究中心與量子計算芯片安徽省重點實驗室獲悉，中國第三代自主超導(dǎo)量子計算機“本源悟空”今天上線運行。

2024年7月，浙江大學(xué)物理學(xué)院宋超、王浩華研究組與清華大學(xué)鄧東靈研究組合作，首次在超導(dǎo)量子芯片上實現(xiàn)了斐波那契任意子的模擬，并成功對其進行了編織操作。

2025年2月，加拿大Xanadu量子技術(shù)公司開發(fā)出全球首臺可擴展光量子計算機原型。

2025年2月，據(jù)外媒報道，波蘭正在開發(fā)其第一臺軍用量子計算機，用于提高加密與數(shù)據(jù)分析能力。

新品發(fā)布!量子計算原型機“祖沖之三號”打破世界紀(jì)錄!

2025年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等成功構(gòu)建105比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之三號”，處理量子隨機線路采樣問題的速度比目前國際最快的超級計算機快千萬億倍，再次打破超導(dǎo)體系量子計算優(yōu)越性世界紀(jì)錄。

2025年3月3日消息，日本政府研究機構(gòu)分子科學(xué)研究所（IT之家注：簡稱分子研）與日立制作所等合作，將于2025年啟用新型量子計算機。這是日本首次采用原子方式的量子計算機，適合推動超越現(xiàn)有超級計算機的大規(guī)模計算。

安全防護

2024年4月10日，安徽省量子計算工程研究中心消息，中國第三代自主超導(dǎo)量子計算機“本源悟空”成功裝備國內(nèi)首個PQC“抗量子攻擊護盾”——PQC（Post Quantum Cryptography，后量子密碼）混合加密方法。這將使“本源悟空”更好抵御其他量子計算機的攻擊，確保運行數(shù)據(jù)安全。