刘兴亮 | 极简量子计算发展史

量子计算作为下一代信息技术的关键领域，其发展历程充满了科学家的智慧结晶与技术突破。本文将带您回顾量子计算从理论构想走向现实应用的精彩历程。

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量子计算的基本原理

量子是物理学家普朗克提出的物质概念，假设一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。由此可以设想，世界的微观体系就是由量子构成。

普朗克的理论让物理学进入了浩瀚宇宙的微观领域，发展出量子力学、量子光学等分支，引爆了现代工业文明的进一步发展，量子计算也算其中之一。

要弄清，量子计算不是简单做算术题，它是人为构造并操纵一个可编程的量子系统，其目的是构造一种演化路径，使「正确答案的概率结构」显现出来。这种计算方式与人工智能中的「梯度下降」（降低误差函数）有相似之处，都是在复杂系统中寻找最优解。

量子计算的核心优势源于量子比特的独特性质。与传统计算机使用0或1的比特来存储信息不同，一个量子比特可以同时处于01两种状态的相干叠加。推而广之，n个量子比特便可表示2^n个数的叠加，使得一次量子操作原理上可以同时实现对2^n个叠加的数进行并行运算。

由此也容易理解，量子计算与经典计算的区别不仅是算力上的巨大差异，更是结构性差异：经典计算的状态空间是线性增长，量子系统的状态空间是指数增长。当量子比特数足够大（例如达到250个）时，量子计算机能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多。

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量子计算的直观理解

上述说法都很科学，但是不太好理解。那么如何更直白地理解量子计算呢？

中国科学技术大学教授陆朝阳用一个生动的「走迷宫」比喻来解释：传统计算机走迷宫，每次只能选择一条路去尝试，如果失败了，就只能从头再来。但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就把所有可能都尝试一遍，很快就能找到那条正确的路。

另一个浅显易懂的例子是山体水流模型：如果山体只有一条沟渠（传统计算），水流路径是确定的；而实际山体有众多溪流河道（量子叠加态），需要同时计算所有水流的复杂交互。量子计算就是要优化这些「溪流河道」的配置，找到最佳解决方案，这种计算是指数级的。

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量子计算的发展里程碑

量子计算对算力的要求巨大，其作用也极其复，尤其是在人工智能时代，作为工具前景广阔。现在我们就来简单回顾一下量子计算的发展历程。量子计算的发展经历了从理论奠基到技术突破的多个关键阶段：

1980-1981年：理论奠基

美国物理学家保罗·贝尼奥夫首次提出了量子版的图灵机概念。随后，物理学家理查德·费曼在1981年提出利用量子计算机模拟量子现象的想法，开启了人们对量子计算的正式兴趣。

1985-1994年：理论突破

戴维·德意志提出了「通用量子计算机」概念。1994年，彼得·肖尔提出了著名的Shor算法，能有效分解大数，对现有加密技术构成了威胁，促使各国政府和军方开始高度重视量子计算。

1995-1997年：纠错突破

彼得·肖尔和安德鲁·斯蒂恩等人发现了量子纠错，为容错量子计算奠定了理论基础。没有量子纠错，量子计算将因噪声干扰而无法实际应用。

1998-2018年：实验进展

1998年，研究人员首次在两量子比特系统上实现了Grover算法。2011年，加拿大公司D-Wave发布了首款商用量子计算机。2016年，IBM向公众开放云端量子计算服务。

2019年：量子优越性的里程碑

谷歌宣布实现「量子霸权」，其53量子比特处理器「悬铃木」在200秒内完成了传统超级计算机需一万年才能完成的计算。这标志着量子计算首次在特定任务上超越经典计算机。

2020年至今：中国崛起与应用探索

中国科学技术大学团队先后推出了「九章」光量子计算机和「祖冲之号」超导量子计算机。2025年3月，中国成功构建105比特超导量子计算原型机「祖冲之三号」，处理问题的速度比当前最快的超级计算机快千万亿倍。中国成为目前世界上唯一在超导量子和光量子两种物理体系都达到「量子计算优越性」里程碑的国家。

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未来展望

量子计算的发展通常被分为三个阶段：第一阶段是实现「量子计算优越性」；第二阶段是研制可操纵数百个量子比特的专用量子模拟机，解决超级计算机无法胜任的重大实用问题；第三阶段是研制可编程的通用量子计算机。

目前，我们正处在第二阶段，即「含噪声的中等规模量子」（NISQ）时代。量子计算已经在金融、材料科学、药物设计等领域展现出应用前景。未来5年，全球将进入「量—超—智」三算融合时代，即量子计算、超级计算和智能计算协同完成运算任务。

尽管量子计算前景广阔，但它并不会完全取代经典计算机，两者将各自适合不同的应用场景。量子计算更可能作为一种强大的工具，在需要处理海量可能性的特定问题上发挥其独特优势。

量子计算的发展历程充满了挑战与突破，从理论构想逐步走向现实应用，这一历程见证了人类对计算本质的不断探索和对技术极限的持续突破。