量子计算

量子计算是利用诸如叠加和纠缠等量子力学现象来进行计算。执行量子计算的计算机称为量子计算机。Quantum计算机被认为能够解决某些计算问题，例如整数分解（它是RSA加密的基础），其速度比传统计算机快得多。量子计算的研究是量子信息科学的一个子领域。

量子计算始于1980年代初，当时物理学家Paul Benioff提出了图灵机的量子力学模型。理查德·费曼  （Richard Feynman）和尤里·马宁（  Yuri Manin）  后来提出，量子计算机具有模拟经典计算机无法实现的功能的潜力。在1994年，Peter Shor开发了一种量子算法来分解整数，该整数有可能解密RSA加密的通信。尽管自1990年代后期以来一直在进行实验性进展，但大多数研究人员认为容错量子计算仍然是一个遥不可及的梦想。”近年来，公共和私营部门对量子计算研究的投资有所增加。

量子计算模型有几种，包括量子电路模型、量子图灵机、绝热量子计算机、单向量子计算机和各种量子细胞自动机。使用最广泛的模型是量子电路。量子电路基于量子比特或“ 量子比特 ”，它与经典计算中的比特有些相似。量子位可以处于1或0量子状态，也可以处于1和0状态的叠加。但是，当测量量子位时，测量结果始终为0或1；否则，结果为0。的这两个结果的概率取决于量子位在测量之前的量子状态。计算是通过用量子逻辑门操纵量子比特来完成的，量子逻辑门与经典逻辑门有点类似。

当前有两种主要的物理方法来实现量子计算机：模拟和数字。模拟方法进一步分为量子模拟，量子退火和绝热量子计算。数字量子计算机使用量子逻辑门进行计算。两种方法都使用量子位或量子位。目前，在构建有用的量子计算机的方式上存在许多重大障碍。尤其是，很难维护量子位的量子状态，因为它们容易发生量子退相干，并且量子计算机需要进行大量的纠错。因为它们比传统计算机更容易出错。

原则上，可以由经典计算机解决的任何计算问题也可以由量子计算机解决。相反地​​，量子计算机服从了Church-Turing的论文。即，可以由量子计算机解决的任何计算问题也可以由经典计算机解决。虽然这意味着在可计算性方面，量子计算机没有提供比传统计算机更多的优势，但是从理论上讲，它们确实可以设计某些问题的算法，这些问题的时间复杂度比已知的经典算法低得多。值得注意的是，量子计算机被认为能够快速解决某些传统计算机无法解决的问题。任何可行的时间量-这一壮举被称为“ 量子霸权”。关于量子计算机的问题的计算复杂性的研究被称为量子复杂性理论。

有许多量子计算模型，其特征在于分解计算的基本元素。具有实际重要性的四个主要模型是：

• 量子门阵列（将计算分解成几量子比特的量子门序列）
• 单向量子计算机（将计算分解为应用于高纠缠的初始状态或簇状态的一系列单比特测量）
• 绝热量子计算机，基于量子退火（将分解为初始哈密​​顿量到其基态包含解的最终哈密顿量的缓慢连续转换）
• 拓扑量子计算机（将计算分解为2D晶格中的正则表达式的编织）

在量子图灵机在理论上是重要的，但这种模式的物理实现是不可行的。四个计算模型都被证明是等效的。每个人只需花费多项式开销即可模拟另一个人。

为了物理上实现量子计算机，正在寻找许多不同的候选对象，其中（通过用于实现量子位的物理系统加以区分）：

• 超导量子计算（由小型超导电路的状态实现的量子比特）
• 捕获离子量子计算机（量子位由捕获离子的内部状态实现）
• 光学晶格中的中性原子（量子位由捕获在光学晶格中的中性原子的内部状态实现）
• 基于自旋的量子点计算机（例如Loss-DiVincenzo量子计算机）（由捕获电子的自旋态给出的量子位）
• 量子点计算机，基于空间的（量子位由双量子点中的电子位置给定）
• 使用工程量子阱进行量子计算，从原理上讲，它可以构建在室温下运行的量子计算机
• 耦合量子线（量子点由一对通过量子点触点耦合的量子线实现）
• 利用溶液中分子的核磁共振实现的核磁共振量子计算机（NMRQC），其中量子位由溶解的分子内的核自旋提供，并用无线电波探测
• 固态NMR 凯恩量子计算机（量子位通过的核自旋状态实现磷 供体在硅）
• 氦电子量子计算机（量子位是电子自旋）
• 腔量子电动力学（CQED）（量子位由与高精细腔耦合的捕获原子的内部状态提供）
• 分子磁体（自旋态给出的量子比特）
• 基于富勒烯的ESR量子计算机（量子位基于富勒烯中包裹的原子或分子的电子自旋）
• 非线性光学量子计算机（通过同时通过线性和非线性元素处理不同模式的光的状态而实现的量子位）
• 线性光学量子计算机（通过处理诸如线性反射镜，分束器和移相器等线性元件的不同模式的光的状态而实现的量子位）
• 基于钻石的量子计算机（量子位通过钻石中氮空位中心的电子或核自旋实现）
• 基于玻色-爱因斯坦凝聚物的量子计算机
• 基于晶体管的量子计算机–使用静电阱夹带正空穴的串量子计算机
• 稀土类金属离子掺杂的无机晶体基于量子计算机（量子位由内部的电子状态来实现掺杂剂中的光纤）
• 基于金属的碳纳米球量子计算机