“高速”和“节能”是量子计算的两大颠覆性优势

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来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2016-08-23 17:19:56】【打印】【关闭】

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量子计算的核心优势是可以实现高速并行计算。在计算机科学中，无论经典计算还是量子计算，他们的计算功能的实现都可以分解为简单的逻辑门的运算，包括：“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门等。简单来讲，每一次逻辑门的运算（简称操作）都是都要消耗一个单位时间来完成。经典计算机的运算模式通常是一步一步进行的。它的每一个数字都是单独存储的，而且是逐个运算。所以对于4个数字进行同一个操作时，要消耗4单位时间。而量子计算中，一个2个量子比特的存储器可以同时存储4个数字，这里一个量子态可以代表所有存储的数字。科学家通过特定设计对量子态进行一次变换，即可对4个数字同时操作，而且只消耗1单位时间。这种变换相当于经典计算的逻辑门，实现了对存储器中的数字并行运算，这被称为量子并行计算。可以看到，当量子比特数量越大时，这种运算速度的优势将越明显。它可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前，非通用型量子计算机的已经实现了1000位量子比特，在特定算法上（比如模拟退火，一种优化方法），计算效率比经典计算机要快一亿倍。

量子计算机的量子比特数量以指数形式增长，算力将以指数的指数增长。对于量子计算机，在半导体材料和超导材料等领域，科学家也已经积累了数十年的理论与经验。现有的最有希望的量子计算机方案之一就是低温超导系统，它涉及了半导体材料与超导材料的应用，主要是基于硅晶体，掺杂一定量的超导材料，实现量子计算。而现有的技术积累将极大促进该方案的发展与快速突破，用更短的时间（相比与经典计算机）实现大规模的商业化应用。可以看到，量子计算机的量子比特数量以指数增长的形式快速上升，从2003年起的1位量子比特，到2013年512位量子比特的计算机，再到2015年实现1000位量子比特。目前在特定功能的应用上，量子计算机比经典计算机要快一亿倍。

商用级非通用型量子计算机计算能力增长趋势

量子计算另一核心优势是其具有极低的能耗。在经典计算中，处理器对输入两串数据的异或操作，而输出结果只有一组数据，计算之后数据量减少了，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。但量子计算中，输入多少组数据输出依旧是多少组数据，计算过程中数据量没有改变，因此计算过程没有能耗。这也就意味着，只有在最后测量的时候产生了能耗。而经典计算在每一个比特的计算过程中都将产生能耗。因而经典计算的集成度越高，散热越困难。随着摩尔定律渐近极限，以后的计算能力的提高只能依靠堆积更多的计算芯片，这将导致更大的能耗。这方面的突破只能依靠量子计算的发展。目前，最先进的D-Wave量子计算机的处理器只消耗1微瓦，并且能量消耗程度不会随着计算能力的提升而变化。但不足之处在于，用于维持低温环境（约为零下273.14摄氏度）的功率达到15千瓦。基本上大部分的功率都用来制冷了，整个系统还有很大的余地得继续改进提升。

量子计算的核心优势