量子计算机技术概述与专业选择
一．量子计算机技术概述
第1章 量子计算机的研究进程
1.1量子计算机的早期设想阶段
20世纪80年代初期，Benioff首先提出了量子计算的思想，他设计一台可执行的、有经典类比的量子Turing机——量子计算机的雏形。
1982年，Feynman发展了Benioff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，Feynman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。
1985年，牛津大学的David Deutsch在发表的论文中，证明了任何物理过程原则上都能很好地被量子计算机模拟，并提出基于量子干涉的计算机模拟即“量子逻辑门”这一新概念，并指出量子计算机可以通用化、量子计算错误的产生和纠正等问题。由Zurek作了深入的分析和研究。但到了20世纪80年代中期，这一研究领域由于若干原因被冷落了。首先，因为当时所有的量子计算机模型都是把量子计算机看成是一个不与外界环境发生作用的孤立系统，而不是实际模型。其次，存在许多不利于实现量子计算机的制约因素，如Landauer指出的去相干、热噪声等等。另外，量子计算机可能易出错，而且不易纠错。最后，还不清楚量子计算机解决数学问题是否比经典计算快。
1994年，AT&T公司的Perer Shor博士发现了因子分解的有效量子算法。1996年，S.Loyd证明了Feynman的猜想，他指出模拟量子系统的演化将成为量子计算机的一个重要用途，量子计算机可以建立在量子图灵机的基础上。
1.2各国针对量子计算机的研究开发计划
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DWave公司成功研制出一台具有16昆比特的“猎户星座”量子计算机，并于2008年2月13日和2月15日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机。
2009年11月15日，美国国家标准技术研究院研制出可处理两个昆比特数据的量子计算机。
全球第一家量子计算公司D-Wave于2015年6月22日宣布其突破了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DWave或其他任何同行开发的产品的量子位。
2017年3月6日，IBM宣布将于年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务IBM。IBM表示，此服务配备有直接通过互联网访问的能力，在药品开发以及各项科学研究上有着变革性的推动作用，已开始征集消费用户。除了IBM，其他公司还有英特尔、谷歌以及微软等，也在实用量子计算机领域进行探索。
1.3我国在量子计算机领域的研究
2017年5月3日，中国科学院潘建伟团队构建的光量子计算机实验样机计算能力已超越早期计算机。此外，中国科研团队完成了10个超导量子比特的操纵，成功打破了目前世界上最大位数的超导量子比特的纠缠和完整的测量的记录。
2020年6月18日，中国科学院宣布，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展——在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。这一成果19日在线发表于学术期刊《科学》上。
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”，求解数学算法高斯玻色取样只需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”。
第2章 量子计算机的工作原理
2.1 量子计算机基本原理
量子计算机，简单地说，它是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一个物理系统，它能存储和处理用量子比特表示的信息。
如同传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0、1之间的区分，其基本单元为硅晶片一样，量子计算机也有着自己的基本单位——昆比特（qubit）。昆比特又称量子比特，它通过量子的两态的量子力学体系来表示0或1。比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，原子中量子处在的两个不同能级，或任何量子系统的空间模式等。量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化结果。
2.1.1 量子比特
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>和│1>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。
2.1.2 态叠加原理
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。
2.1.3 量子纠缠
量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。
2.1.4 量子并行原理
量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。
2.2 量子计算机的组成
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、量子存储器、量子效应器等。
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，晶体管比起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，所以在未来的发展中，晶体管是量子计算机不可缺少的一部分。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，是量子计算机不可缺少的组成部分，也是量子计算机最重要的部分之一。量子计算机的效应器就是一个大型的控制系统，能够控制各部件的运行。这些组成在量子计算机的发展中占领着主要的地位，发挥着重要的运用。
第3章 量子计算机的应用
3.1促进新药和新材料研发
凭借其极高的处理能力，量子计算机将能够通过量子模拟同时研究多个分子、蛋白质和化学物质——标准计算机目前无法做到这一点，从而使科学家们能比现在更快、更高效地开发新药。例如，瑞士制药公司罗氏希望借助量子模拟来加速药物和疫苗的开发进程，以应对新冠肺炎、流感、癌症等疾病，甚至有可能治愈阿尔茨海默病。此外，量子模拟还可以取代实验室实验，降低研究成本，甚至可以最大限度地减少对人体和动物试验的需求。此外，2021年初，德国制药公司勃林格殷格翰宣布与谷歌量子人工智能合作，共同研究和实施量子计算在药物研发中的应用，特别是在分子动力学模拟方面。
另据西班牙《世界报》网站11月16日报道，伊格纳西奥·西拉克表示，可以利用量子计算机研发在今天看来不可能实现的化合物，如能源密集程度较低的肥料等。如IBM等公司正在使用量子计算机塑造新分子，以“模拟大自然将土壤中的氮转化为富含硝酸盐肥料的能力，进而减少化肥对环境的影响”；而谷歌公司正在与大众集团的信息技术部门合作，利用量子计算机帮助后者研发新材料，特别是电动汽车用高性能电池。
3.2金融领域
量子计算机可以为金融业带来巨大的潜在利益——从更深入的分析到实现更快的交易等等。事实上，许多主要金融机构正在想方设法借助量子计算促进贸易、交易和数据传输速度。
比如，IBM和摩根大通等银行一直在试验量子技术，希望借此优化交易策略、投资组合、更好地进行资产定价以及风险分析等。此外，去年西班牙金融量子计算技术研发商Multiverse Computing宣布与美国量子计算初创公司IonQ建立合作伙伴关系，将使金融服务机构能够使用IonQ量子云平台，比之前更准确、更快速地进行风险估值、投资组合优化、资产管理、欺诈检测模拟等。
量子计算机在金融领域的另一个潜在应用是金融建模，对于世界各地的金融机构来说，能更好地进行金融建模意味着更低的处理成本和更快的交易速度，这是一种双赢。
3.3应对气变
越来越多专家把注意力转向利用量子计算机解决我们这个时代最大的挑战之一：气候变化。
首先，量子计算机的整体能耗将低于传统计算机。例如，D-Wave的2000Q量子计算机的能耗比IBM的“顶点”（Summit）超级计算机低4个数量级，后者是世界上最强大的计算系统之一。同样地，美国橡树岭国家实验室的科学家计算出，量子计算机有可能将能源使用量降低100多万千瓦时。
此外，专家预测，量子模拟还有助于各国实现联合国的可持续发展目标。
例如，量子计算机可以加速发现新的二氧化碳催化剂，确保二氧化碳更有效地循环，同时产生有用的氢气、一氧化碳等气体。同时，量子模拟也有助于造出更高效的电池、更好的太阳能(11.550,1.05,10.00%)电池或风力涡轮机材料，甚至是用于实现碳捕获技术的、吸收性更强的催化剂。在农业方面，量子模拟可以显著降低制造肥料所耗费的电能，而肥料占全球能源耗费的比例高达2%。
3.4量子计算机的优势
量子计算机拥有强大的量子信息处理能力，对于目前海量的信息，能够从中提取有效的信息进行加工处理使之成为新的有用的信息。量子信息的处理先需要对量子计算机进行储存处理，之后再对所给的信息进行量子分析。运用这种方式能准确预测天气状况，目前计算机预测的天气状况的准确率达75%，但是运用量子计算机进行预测，准确率能进一步上升，更加方便人们的出行。
目前的计算机通常会受到病毒的攻击，直接导致电脑瘫痪，还会导致个人信息被窃取，但是量子计算机由于具有不可克隆的量子原理这些问题不会存在，在用户使用量子计算机时能够放心地上网，不用害怕个人信息泄露。另一方面，量子计算机拥有强大的计算能力，能够同时分析大量不同的数据，所以在金融方面能够准确分析金融走势，在避免金融危机方面起到很大的作用；在生物化学的研究方面也能够发挥很大的作用，可以模拟新的药物的成分，更加精确地研制药物和化学用品，这样就能够保证药物的成本和药物的药性。
第4章 量子计算机的未来发展前景与挑战
4.1研究难点
1、量子消相干
量子计算的相干性是量子并行运算的精髓，但在实际情况下，量子比特会受到外界环境的作用与影响，从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰，导致量子相干性降低，也就是所谓的消相干现象。实际的应用中，无法避免量子比特与外界的接触，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一，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。
2、量子纠缠
量子作为最小的颗粒，遵守量子纠缠规律。即使在空间上，量子之间可能是分开的，但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此，量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上，利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。
3、量子并行计算
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。
4、量子不可克隆
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。
4.2量子安全问题
《福布斯》杂志网站在报道中指出，尽管量子计算机会给人类带来巨大的好处，但同时也可能会带来风险。
比如在信息安全领域，量子计算机将有能力突破目前人们保护信息时广泛依赖的公钥加密，这意味着数据无论现在多么安全，未来在量子计算机面前可能都不堪一击。对于任何需要保护敏感信息的组织来说，这是一场灾难。
尽管各国政府和企业对量子计算机投入了大量资金，但对量子安全的投入却很少，而量子安全对于我们迈入量子时代至关重要。幸运的是，美国国家标准与技术研究院（NIST）目前正在对后量子密码术进行标准化。据NIST称，新标准将于今年年底公布。
虽然量子计算机为我们的未来描绘出了一副美好的蓝图，但伊格纳西奥·西拉克明确表示，必须摒弃量子计算机投入实用指日可待的想法。他说：“我们确实已经研制出了第一批原型机，但其规模仍然非常小，且功能并不强大，只是跨出了第一步。”
关于选择专业，我首先想到的，就是根本原因：就业。选专业不是为了别的，正是为了找工作，必须考虑当前所选专业在当今社会环境先是否吃香。太热门则竞争过于激烈，太冷门则就业困难。因此选择符合市场，符合国情的专业尤为重要。
其次，那便是专业强度，即该专业是否为我校强项，专业国内排名如何，世界排名如何，都应考虑在内。比如，光电专业为我校强势专业，竞争必然激烈，因此我的考虑是退而求其次，报计算机科学与技术专业。
最后才根据自己的喜好，排布其他专业进行填报。但我还是将光电排在第二位，万一运气好呢。
三．参考文献
[1]量子计算机_百度百科 (baidu.com)
[2]http://finance.sina.com.cn/jjxw/2021-12-03/doc-ikyakumx1859092.shtm
版权声明：
1.大文斗范文网的资料来自互联网以及用户的投稿，用于非商业性学习目的免费阅览。
2.《量子计算机技术概述与专业选择》一文的著作权归原作者所有，仅供学习参考，转载或引用时请保留版权信息。
3.如果本网所转载内容不慎侵犯了您的权益，请联系我们，我们将会及时删除。