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量子计算机是什么？让我们从“爷爷”辈说起

辞海 2023-03-06 14:04:17 上海

前不久，谷歌声称，该公司已在纠正当今量子计算机固有的错误方面取得了突破，标志着它在克服这一革命性新计算形式的最大技术障碍方面迈出了早期，但可能具有重要意义的一步。量子计算机是什么？它和普通计算机有什么不一样？想要了解量子计算机，我们要先从计算机的发展简史说起。计算机的发展分为五个阶段：

计算机世代 计算机发展各个阶段的划分。第一代从20世纪40年代中期到50年代末期，使用电子管元件，程序系统使用机器语言，后期出现汇编语言。第二代从50年代末期至60年代中期，使用晶体管，程序系统用高级语言、宏汇编程序，并具有管理程序和监督程序。第三代从60年代中期开始，使用中小规模集成电路，软件已系统化，使用了操作系统，有多种高级语言和多道程序设计等。第四代从70年代开始，使用大规模或超大规模集成电路，出现了微处理机和计算机多机系统。第五代从80年代初开始研制，除使用超大规模集成电路外，还具有智能和逻辑推理功能，与前四代相比，设计思想和结构截然不同。随后计算机性能快速提高，分代的概念已模糊、淡化。

第一代计算机 采用电子管作基础元件的电子计算机。输入输出设备主要是用穿孔卡片，用户使用不方便；系统软件原始，用户必须掌握类似于二进制机器语言进行编程的方法。以埃尼阿克计算机为代表。使用汞延迟线作存储设备，后逐渐过渡到用磁芯存储器。

第二代计算机 采用晶体管制造的电子计算机。软件使用面向过程的程序设计语言，如FORTRAN、ALGOL等。特点有：（1）采用晶体管，尺寸小，质量轻，寿命长，效率高，发热少，功耗低。（2）计算机语言仍然是“面向机器”的语言，处于机器语言向更高级语言进化的中间阶段。

第三代计算机 以中小规模集成电路来构成主要功能部件的计算机。主存储器采用半导体存储器，大量采用磁芯做内存储器，容量扩大到几十万字节。外存储器采用磁盘、磁带等；体积缩小，功耗降低，运算速度提高到每秒几十万次至几百万次基本运算。计算机语言进入了“面向人类”的语言阶段。在软件方面，出现了操作系统，程序设计语言出现“高级语言”，允许用英文写解题的计算程序，程序中所使用的运算符号和运算式类似日常用的数学式。

第四代计算机 采用大规模和超大规模集成电路为主要电子器件的计算机。重要标志是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机的出现。

第五代计算机 信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。能进行数值计算或处理一般的信息，主要能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图像交换信息。

适合个人或家庭使用的计算机被称为个人计算机。

个人计算机 亦称“PC机”。PC是英语personal computer的缩写。适合个人或家庭使用的微型计算机。体积小，自重轻，对环境条件要求不高，维护方便，价格便宜，便于搬动。包括桌面计算机（即台式计算机）、笔记本计算机和平板电脑等。

然而，随着工作中数据处理需求的不断增加，高性能的个人计算机也很难以满足复杂的计算需求。于是，人们开始将高达数百万的CPU互联起来协同工作，从而建造能够计算大型复杂课题的超级计算机。

超级计算机 亦称“巨型计算机”。由数百、数千甚至更多的处理器（机）组成，能计算普通计算机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。常用于核物理研究、航天航空飞行器设计、国民经济预测和决策、中长期天气预报等方面，是强有力的模拟仿真和计算工具。对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。中国著名的超级计算机有“天河”系列、“银河”系列等。

但是，超高的占地面积、高额的研发和维护费用以及复杂的散热系统制约了超级计算机的进一步发展。为了在更小的体积和更低的功耗下进行更快速的运算，人们提出了量子计算机的概念。

量子计算机 一种基于量子理论的计算机。其概念于1981年提出。计算过程由量子算法决定，运用粒子的量子力学状态，如光子的极化状态和原子的自旋等来表示“0”和“1”，称“量子比特”。量子计算的本质特征为量子叠加性和量子相干性。在量子效应的作用下，量子比特可同时处于“0”和“1”两种相反的状态（量子叠加），使量子计算机可同时进行大量运算，比传统计算机快得多。不少学者正致力于利用各种量子系统来研发量子计算机。

通过不同的量子系统，学者们研发了各类量子计算机，包括离子阱量子计算机、光量子计算机和超导量子计算机等。

离子阱量子计算机 用离子作为量子比特进行量子计算的装置。在硬件层面上，离子链受到四极射频电场（一组静电场，一组时变电场）的作用，会在特定维度上被囚禁起来，此时离子有电子内态与量子化的简谐运动两个独立的自由度可供操控，也可以通过激光耦合这两种自由度。如何实现更大规模可扩展的离子阱体系，并保持其在小体系中展示出的高保真操控，是该体系走向通用量子计算机亟待解决的技术问题。

光量子计算机 利用光子作为量子比特的载体，通过集成光路实现量子计算的装置。主要由高纯度的单光子源、超低损耗的单光子线路及单光子探测器组成。利用光子之间相互作用弱、退相干时间长且易于操控等特点，在许多专用计算问题（如玻色采样、各种量子算法等）上已经超过经典计算机的计算速度。

超导量子计算机 使用超导量子比特进行量子计算的装置。由稀释制冷机、微波电子器件、电路控制模块、量子比特处理器及后台处理系统五部分组成。超导量子比特以约瑟夫森结作为量子比特的核心，由两块超导体通过纳米尺度的绝缘层相连接构成。为减少量子比特的退相干效应，超导量子计算机要求工作在超低温环境。发展迅速，具有较高的量子逻辑门保真度和大规模可调控的量子比特数目，其器件可以结合现有的半导体微加工工艺，是实现量子计算机较有潜力的平台之一。

继加拿大和美国分别在2011年和2019年交付量子计算机后，中国在2021年成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。2018年，本源量子牵头成立国内首个量子计算产业联盟，与上下游行业伙伴构建量子计算产业生态链。近日，本源量子表示，已交付一台24比特超导量子计算机。而如今，我国最新量子计算机“悟空”即将面世，生产线正在紧锣密鼓生产量子芯片。党的二十大报告提出，以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。面对复杂严峻的国际形势和繁重的国内改革发展稳定任务，只有坚定不移走中国特色自主创新道路，把关键核心技术掌握在自己手中，才能把创新和发展的主动权牢牢掌握在自己手中。

科技

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