量子計算機

布洛赫球面乃一種對於二階量子系統之純態空間的幾何表示法，是建立量子計算機的基礎。

量子計算機（英語：Quantum computer）是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同於電子計算機（或稱傳統計算機），量子計算用來存儲數據的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數據操作。馬約拉納費米子反粒子就是自己本身的屬性，或許是令量子計算機的製造變成現實的一個關鍵。[1]量子計算機在輿論中有時被過度渲染成無所不能或速度快數億倍等，其實這種計算機是否強大極度看問題而定，若該問題已經有提出速算的量子算法只是困於傳統計算機無法執行，那量子計算機確實能達到未有的高速，若是沒有發明算法的問題則量子計算機表現與傳統無異甚至更差。

歷史

隨著計算機科學的發展，史蒂芬·威斯納在1969年最早提出「基於量子力學的計算設備」。而關於「基於量子力學的信息處理」的最早文章則是由亞歷山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬·印戈登（1976）和尤里·馬尼（1980）年發表。史蒂芬·威斯納的文章發表於1983年[7]。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來。1982年，理察·費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型[8]。人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。當使用計算機模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當長，甚至是不切實際的天文數字。理察·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生。半導體靠控制集成電路來記錄及運算信息，量子計算機則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算信息。

量子計算機在1980年代多處於理論推導狀態。1994年彼得·秀爾提出量子質因數分解算法後，證明量子計算機能做出離散對數運算，而且速度遠勝傳統計算機。因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體比喻成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40位元的量子計算機，就能在很短時間內解開1024位元計算機花上數十年解決的問題。因其對於現在通行於銀行及網絡等處的RSA加密算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。

基本概念

量子比特由受控粒子和控制方法組成(比如，捕獲顆粒的設備能將他們從一個狀態切換到另一個狀態).

傳統計算機即對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路實現。

輸入態和輸出態都是傳統信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進位序列{\displaystyle 0110110}，用量子記號，即{\displaystyle \left|0110110\right\rangle }。所有的輸入態均相互正交。對傳統計算機不可能輸入如下疊加態：{\displaystyle c_{1}\left|0110110\right\rangle +c_{2}\left|1001001\right\rangle }。
傳統計算機內部的每一步變換都演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，傳統計算機中的變換（或計算）只對應量子變換中的一類特殊集。

量子計算機擴展了傳統計算機原有的限制。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特（qubits）），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的正變換。

量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；
量子計算機中的變換為所有可能的正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，從而得到計算結果。

傳統計算是一類特殊的量子計算，量子計算對傳統計算作了極大的擴充，其最本質的特徵為量子疊加性和量子相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些傳統計算同時完成，並按一定的機率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。

實做發展

D-Wave 系統公司發布的計算設備

一般認為量子計算機仍處於研究階段。然而2011年5月11日加拿大的D-Wave 系統公司發布了一款號稱「全球第一款商用型量子計算機」的計算設備「D-Wave One」，含有128個量子位[12][13]。2011年5月25日，洛克希德·馬丁同意購買D-Wave One[14]。南加州大學洛克希德馬丁量子計算機研究中心（USC-Lockheed Martin Quantum Computation Center）證明D-Wave One不遵循經典物理學法則的模擬退火（simulated annealing）運算模型，而是量子退火法。該論文《可編程量子退火的實驗特性》（Experimental Signature of Programmable Quantum Annealing）發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊。該量子設備是否真的實現了量子計算目前還沒有得到學術界廣泛認同，只能有證據顯示D-Wave系統在運作時邏輯不同於傳統計算機[15]。

2013年5月D-Wave 系統公司宣稱NASA和Google共同預定了一台採用512量子位的D-Wave Two量子計算機。[16]該計算機執行特定算法時比傳統計算機快上億倍，但換用算法解相同問題時卻又輸給傳統計算機，所以實驗色彩濃厚並延續了學術界爭論。

2013年5月，谷歌和NASA在加利福尼亞的量子人工智慧實驗室發布D-Wave Two。

2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破，開發出四量子比特型電路（four quantum bit circuit），成為未來10年量子計算機基礎。另外一項是，可以同時發現兩項量子的錯誤型態，分別為bit-flip（位元翻轉）與phase-flip（相位翻轉），不同於過往在同一時間內只能找出一種錯誤型態，使量子計算機運作更為穩定。

2015年10月，新南威爾斯大學首度使用矽製作出量子閘[。

2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發明世界上第一台由5量子比特組成的可編程量子計算機。[19][20]

2017年5月，中國科學院宣布製造出世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機，研發了10位元超導量子線路樣品，通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了十位元量子態。[21]此原型機的「玻色取樣」速度比國際同行之前所有實驗機加快至少24000倍，比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台電晶體計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍，雖然還是緩慢但已經逐步跨入實用價值階段。

2017年7月，美國研究人員宣布完成51個量子比特的量子計算機模擬器[24]。哈佛大學米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技術國際會議上宣布這一消息。量子模擬器使用了雷射冷卻的原子，並使用雷射將原子固定。

2018年6月，英特爾宣布開發出新款量子晶片，稱使用五十納米的量子比特做運算，並已在接近攝氏零下273度的絕對零度中進行測試。

2019年1月8日，IBM在消費電子展(CES)上展示了已開發的世界首款商業化量子計算機IBM Q System One[26]但其基本只有實驗研究價值，沒有超越傳統計算機的實用性。同年10月谷歌製造的一台「西克莫（Sycamore）」量子計算機聲稱超越了傳統計算機實現量子霸權，而隔日IBM投書稱該計算機是宣傳性譁眾取寵產品，[27]運作方式依然沒有超出目前量子科技範圍，其只在特定條件特定問題下的一種實驗問題結果[28]，而傳統計算機只要更換算法就能達到同樣效果，成本還更低、正確率更高，這被科技期刊稱為「量子門」爭議事件，德州大學奧斯汀分校理論計算機科學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）則保守中立認為，雖谷歌成果實用有限「但假設它是成立的，那麼科學象徵成就是巨大的。」因為代表量子計算機取代傳統計算機有其可能。谷歌首席執行長 Sundar Pichai 的立場則是承認這次實驗沒有實用性但具有萊特兄弟第一架飛機意義，證實飛機此一概念是有可能。