量子计算机（英语：Quantum computer）是根据量子力学的工作原理而设计的计算机，是一种通过量子力学规律以实现逻辑和数学运算、处理和储存信息的复杂系统。量子计算机与传统计算机不同，用来存储数据的对象是量子比特，用量子算法来操作数据。主要具有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等特点。

量子计算机的概念由美国的理查德·费曼（Feynman）于1982年首次提出。1985年，英国牛津大学的Deutsch建立了量子图灵机的模型。1995年．人们发现采用单量子比特的任意旋转和双量子比特的受控非门就可以搭建任意的量子电路，即量子计算机标准模型。之后，科学家们为了在真实的物理体系中实现量子计算的功能，进而提出了拓扑量子计算、单向量子计算、绝热量子计算等量子计算方案。

量子计算机在理论上具有超快的并行计算能力，与相比经典计算机有望实现指数级别的加速，在将来也有希望通过特定算法来解决重大社会和经济价值等方面的问题（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）。因此，高效的运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景，各国政府和各大公司纷纷制定了针对量子计算的一系列的研究开发计划并推进。如美国的高级研究计划局先后于2002年和2004年制定的名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

自从1946年第一台电子计算机诞生以来，电子计算机已成为科学技术发展的强有力工具。但经典计算机发展面对现实需求，受限于诸多因素，比如因运算量要求，芯片集成度布间隔就要达到分子或原子的数量级，而此时量子效应将会影响，甚至完全破坏芯片的功能。1982年贝里奥夫（Benioff）和费恩曼（Feymman）先后提出利用量子理论的原理构造量子计算机的设想，1985 年丹尼兹（D.德语）给出了量子计算机的理论模型。之后1994年“肖尔量子算法”的提出引起国际的研究热潮，进入21世纪，各国的量子计算机研究成果频出。

量子图灵机概念最早是保罗·贝尼奥夫（Paul Benioff）在1980年提出的。它是在贝内特（Bennett）提出的可逆图灵机的基础上发展而来的。贝尼奥夫意识到任何隔离的量子系统都是可逆的计算系统因此可以根据经典的可逆图灵机设计出量子图灵机。但是，他的模型虽然是用量子系统来实现了经典可逆图灵机，但是却没有充分利用量子系统的本质特性。两年后，理查德·费曼（理查德·费曼）发展了贝尼奥夫的设想，提出量子计算机可以模拟其他量子系统。为了仿真模拟量子力学系统，费曼提出了按照量子力学规律工作计算机的概念，这被认为是最早量子计算机的思想。

在1985年戴维·多伊奇（David Deutsch）给出了第一个真正的量子图灵机模型。这台图灵机的读写和移动操作都是利用了量子操作来完成，而且，它用来保存状态的“磁带”也不再是经典的状态，而是叠加态，实现了量子并行性。

20世纪90年代中期，量子计算机史上出现了两个里程碑性的工作。1994年肖尔（Shor）提出了一个著名的量子算法，用于大数质因子分解。分解一个N位的大数，传统的经典算法所需要的时间跟位数N成指数关系，而肖尔大数质因子分解算法所需要的时间仅随其位数N成多项式增长，这将大大缩短计算所需要的时间。比如分解一个千位的大整数传统的经典算法需要1025年时间，而肖尔算法仅需要秒量级的时间。1995年，格罗弗（Grover）针对一个包含N个数据的无序数据库提出了快速搜索符合特定条件的目标态的量子搜索算法，并在2005年完善了该算法，避免了传统Grover搜索算法中，搜索成功概率随操作次数而呈周期性变化的问题。从此，随着计算机科学和物理学间跨学科研究的突飞猛进，使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发展。使得量子计算机的发展开始进入新的时代，各国政府和各大公司也纷纷制定了针对量子计算机的一系列研究开发计划。

首先，美国的高级研究计划局先后于2002年12和2004年4月制定了一个名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划的1.0版以及2.0版，该计划详细介绍了美国发展量子计算的主要步骤和时间表，该计划中美国将争取在2007年研制成10个物理量子位的计算机，到2012年研制成50个物理量子位的计算机。美国陆军也计划到2020年在武器上装备量子计算机。

欧洲在量子计算及量子加密方面也作了积极的研究开发。已经完成了第五个框架计划中对不同量子系统（如原子、离子和谐振）的离散和纠缠的研究以及对量子算法及信息处理的研究。同时，在第六个框架计划中，着重进行研究量子算法和加密技术，并预计到2008年研制成功高可靠、远距离量子数据加密技术。日本于2000年10月开始为期5年的量子计算与信息计划，重点研究量子计算和量子通讯的复杂性、设计新的量子算法、开发健壮的量子电路、找出量子自控的有用特性以及开发量子计算模拟器。

2007年，加拿大 D-Wave 系统公司 Systems 公司宣布研制成功了世界上第一台16qubits（量子位）的量子计算机样机。2013 年，D-Wave Svstems 公司又研制出了拥有512ubits的D-Wave2 计算机。

2015年6月22日，全球第一家量子计算公司D-Wave 系统公司于宣布其突破了1000量子位的障碍、开发出了一种新的处理器，其量子位为上一代D-Wave处理器的两倍左右，并远超D-Wave 系统公司或其他任何同行开发的产品的量子位。同年，谷歌、美国航空航天局和UCSB宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵，2017年，该记录中国科学院潘建伟、朱晓波等团队打破，该团队自主研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。同年，IBM宣布将于年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务IBM。

量子计算机和许多计算机一样都是由许多硬件和软件组成的，软件方面包括量子算法、量子编码等，在硬件方面包括量子晶体管、量子储存器、量子效应器等。

量子算法

量子计算能完成经典计算无法胜任的工作有影响的是的肖尔（Shor）算法和格罗伐（Grover）算法。其中Shor法的核心是将大数的因数分解转化为求函数的周期。

其中Shor算法基本思想是：首先利用量子并行性通过一步计算获得所有的函数值，并利用测量函数得到相关联的函数自变量的叠加态，然后对其进行快速傅里叶变换。其实质为：利用数论相关知识将大数质因子分解问题转化为利用量子快速傅里叶变换求函数的周期问题。

Grover算法适宜于解决在无序数据库中搜索某一个特定数据的问题。在经典计算中，对待这类问题只能逐个搜索数据库中的数据，直到找到为止，算法的时间复杂度为。而Grover算法利用量子并行性，每一次查询可以同时检查所有的数据，并使用黑箱技术对目标数据进行标识，成功地将时间复杂度降低到。现实中有许多问题，如最短路径问题、图的图着色问题、排序问题、密码的穷举攻击问题及搜索方程的最佳参数等，可以利用Grover算法进行求解。

量子晶体管就是通过电子高速运动来突破物理的能量界限，从而实现晶体管的开关作用，这种晶体管控制开关的速度很快，量子晶体管比普通的芯片运算能力强很多，而且对使用的环境条件适应能力很强，是量子计算机不可缺少的一部分。

依据的量子理论表明，量子晶体管借助信号量子化使电子运动速度加快，就能使电子通过似乎无法通过的结构，这使得电子的物理结构发生变化，驱使电子“隧道贯穿”物体。新型量子晶体管成为量子计算机的主要硬件设备，这将使量子计算机比现行的经典计算机运行速度至少提高几百倍。

量子计算机的最小信息单元称为量子位个量子位就是一个量子双态体系，分别以和表示这两个态。这样以，为基便可张起一个二维的希尔伯特空间。量子计算机采用的双态体系为光的两种偏振状态，原子中电子处于基态或激发态，原子核中核子的不同自旋态，等等。例如，处于基态的原子，其状态用表示;处于激发态的原子，其状态用表示分别 1/2 的几率处于基态和激发态的原子，用叠加态表示。

量子位的集合称为量子存储器对于具有三个子位的存储器由于个量子位的状态有 2个选择，三个量子位就有 2X2X2=8 个选择，这样的存储器就有8个基矢，便张起一个8维的尔伯特空间。因此，量子储存器是一种储存信息效率很高的储存器，它能够在非常短时间里对任何计算信息进行赋值。

量子效应器就是一个大型的控制系统，能够控制各部件的运行。这些组成器件在量子计算机的发展中占主要地位，发挥着重要的作用。其采用电子拥挤控制技术。量子效应晶体管用一个“岛”取代场效应管的沟道，通过一种薄层材料与源极和漏极隔离。场效应晶体管的沟道像源极和漏极之间的一根导管，当晶体管导通时，它让电子通过。从另外的角度来看，“岛”也像2个旋转栅门之间的缝隙，限制了电子通行的空间。旋转栅门作为隔离材料层，只允许电子低速通过，在某些情况下1次只让1个电子通过。

在量子效应器件中，一类是单电子晶体管，其可有1个电子开关，另一类是共振隧道晶体管，其优越性是可代替简单的“开”或“关”，并在其开关之间有很多不同的状态，可只采用1个共振隧道晶体管代替十几个常规晶体管。

量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追根溯源，是对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff最早提出了量子计算的基本理论。

经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（qubit），用两个量子态│0\u003e和│1\u003e代替经典比特状态0和1。量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态是0和1的相应量子态叠加。

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。量子态可以叠加，因此量子信息也是可以叠加的。这是量子计算中可以实现并行性的重要基础，即可以同时输入和操作N个量子比特的叠加态。

两个及以上的量子在特定的（温度、磁场）环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态，基于这种纠缠，某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。在量子力学中，体系的状态可以用一个函数来表示，称为“态函数”（既可以把它理解为一个函数，也可以把它理解为一个矢量）。单粒子体系的态函数是一元函数，多粒子体系的态函数是多元函数。如果这个多元函数可以分离变量，也就是可以写成多个一元函数直接的乘积，就把它称为“直积态”；如果它不能分离变量，就把它称为“纠缠态”。

量子并行计算原理由于量子比特可以同时处于两种状态的叠加态，所以量子门操纵它时，实际上同时操纵了两种状态。所以，若一个量子计算机同时操纵N个量子比特，那么它实际上可以同时操纵2N个状态，其中每个状态都是一个N位的经典比特，这就是量子计算机的并行计算能力。

量子计算中量子相干性都起着本质性的作用。可以说，量子信息论的所有优越性均来自于量子相干性。但不幸的是，因为环境的影响，量子相干性将不可避免地随时间指数衰减，量子位的退极化、量子位的相对位相和量子位的自发衰变等都将引发退相干。由于量子信息的存储和传输都是依赖于量子相干性，而退相干的结果会使相干性减弱或消失，这必将影响到量子计算的结果。因此，解决退相干的问题是建造量子计算机的难点之一，它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器，经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者，而且读取速度快，多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性，它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一，实现量子并行计算，也还要面临很多的理论和技术难题。这包括发展量子算法、物理模型设计和硬件制备等。

量子不可克隆性，是指任何未知的量子态不存在复制的过程，既然要保持量子态不变，则不存在量子的测量，也就无法实现复制。对于量子计算机来说，无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

量子计算机与经典计算机相比，具有低能耗、高速并行运算、大容量存储、破译密码、保密传输、高速传输等优点。

其中在高速并行运算方面，量子计算机运用量子特性，可用于实现高速量子计算机运用量子特性，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的最高极限。例如，现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需几分钟。又如，用量子搜寻算法攻击现有密码体系，经典计算机计算需要上千年的运算量，而量子计算机只需小于4min的时间。

其次，量子计算机运用的存储器等器件容量极高。例如，一个由250个原子构成的250量子比特存储器，可能存储的数达2250，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

而在破译、保密、通信传输方面，量子计算机被科学家判定，其可以攻破所有世界上现存的密码，对于实用现行密码技术的一切事物构成极为可怕的威胁。而事实上，现在通用的加密方式并非如想象般安全，它们都有破译的方法，只不过由于现有计算机运行能力的限制，破译1个密钥可能要耗费上万年，甚至上百万年。但量子计算机其安全性能极高，比如，量子密钥体系采用量子态作为信息载体，其安全性能由量子力学原理给予充分保证。此外，利用量子计算机可构成量子通信网络。例如，基于量子隐形传态过程，可以实现多端分布运算，构成量子因特网等高速通信网络。

量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力，同时也是发展人工智慧的关键。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经典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。

（1）天气预报：如果我们使用量子计算机在同一时间对于所有的信息进行分析，并得出结果，那么我们就可以得知天气变化的精确走向，从而避免大量的经济损失。

（2）药物研制：量子计算机对于研制新的药物也有着极大的优势，量子计算机能描绘出万亿计的分子组成，并且选择出其中最有可能的方法，这将提高人们发明新型药物的速度，并且能够更个性化的对于药理学进行分析。

（3）交通调度：量子计算机可以根据现有的交通状况预测交通状况，完成深度的分析，进行交通调度和优化。

（4）保密通信：不仅仅是对于我们生活相近的方面，量子计算机对于加密通信由于其不可克隆原理，将会使得入侵者不能再不被发现的情况下进行破译和窃听，这是量子计算机本身的性质决定的。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理5000万个样本只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。12月4日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”  。

量子计算机是国际热点研究领域，目前全球范围内可供使用的量子计算机仅有约50台。在量子计算资源稀缺的情况下，如何高效稳定的发挥算力，成为量子计算发展的新难题。参考经典计算机的思路，操作系统成为有效管理、利用量子计算资源的关键技术。

2021年3月，霍尼韦尔宣布其量子计算机H1型系统实现了512量子体积，是目前为止量子体积最大的商用量子计算机。这是霍尼韦尔9个月来第3次创造量子体积纪录。当地时间2022年6月9日，英国国防部称获得政府首台量子计算机。2021年6月15日，由IBM公司和德国Fraunhofer-Gesellschaft合作架设的德国境内首台量子计算机在德国西南部巴符州埃宁根正式投入运行。

2021年7月，哈佛大学—麻省理工学院超冷原子中心领导的国际物理学家团队在最新一期《自然》杂志刊文称，运行256个量子比特可编程量子模拟器面世。7月27日，日本东京大学与日本IBM宣布，商用量子计算机已开始投入使用，这在日本国内属于首次。由丰田汽车等12家大型企业加入的产学协议会将成为使用主体，将为了用于材料开发和金融领域而展开研究。作为新一代高速计算机的量子计算机将左右未来的产业竞争力，日本企业将共同摸索尽快活用。

2021年11月15日，据英国《新科学人》杂志网站报道，IBM公司称，其已经研制出了一台能运行127个量子比特的量子计算机“鹰”，这是迄今全球最大的超导量子计算机。12月1日消息，国际著名学术期刊《自然》发表一篇量子物理学论文，首次报道了利用一台量子处理器对全息虫洞进行量子“模拟”。这一演示使用的是谷歌（Google）的悬铃木属（Sycamore）处理器，标志着距离在实验室研究量子引力的可能性又进了一步。12月4日消息，中国电子科技集团有限公司成功研发超导量子计算机系统软件。

2022年1月，德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）启动了拥有超过5000个量子位元的量子计算机。2022年3月30日（当地时间），富士通株式会社宣布已成功开发出世界上速度最快的模拟量子计算机，包含36个量子位，可以实现相当于其它量子模拟器的两倍性能。2022年7月29日据界面新闻消息，日美两国政府将以量产量子计算机等使用的新一代半导体为目标，开始进行共同研究。2022年10月5日消息，首个欧洲量子计算机网络将于2023年投入使用。

2023年，清华大学和浙江大学等中国7家科研机构的20多名专家，联合在预印本平台arxiv上发表了一篇学术论文，称只需要372量子位元（qubits）的量子计算机就能破解2048 位 RSA密钥；谷歌科学家团队改善了量子计算机的纠错能力，演示了随着纠错规模增加，错误率反而降低的量子计算；中国量子计算超低温温度传感器研制成功，并已投入国产量子计算机中使用。谷歌科学家在ArXiv平台上发布预印本论文，表示在量子计算机方面取得重大突破，可以在几秒内完成了一台经典超级计算机需要47年才能完成的计算任务。