【PPT】量子计算研究进展
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摩尔定理
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Getting Smaller
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Size of Atom
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当今微电子技术不久将面临物理极限！
高速发展 vs. 物理极限！热耗散 & 量子效应
How small can they be?
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微处理器
1971 Intel 4004 10um, 2300晶体管 0.74 MHz
1978 Intel 8086 3um, 29000 晶体管 4.77MHz
2008, Core i7
45nm, 5.82 billion晶体管
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2.66 - 3.2 GHz
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1982 Benioff: Quantum computers are universal. 1982 Feynman: Quantum computer could simulate other
quantum systems. 1993 Bernstein, Vazirani and Yao: Quantum systems are more
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内容提纲
量子计算发展简介
磁共振量子计算研究进展
未来研究方向
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一、量子计算发展简介
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计算机硬件历史
计算机硬件是信息处理的平台。
数值计算单元:
机械齿轮/电子机械传动装置
电子管 (1911 - 1946)
晶体管 (1947 - 1958)
1997 Grover: a unsorted quantum search algorithm
Implementations
1995 Monroe, Meekhof, King, Itano, Wineland: CNOT gate implemented in ion trap by NIST
Classical
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In Gate Out
Quantum
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Classical vs. Quantum
Classical bits
• transistors • 0 or 1
Quantum bits
• quantum systems • 0 or 1or in-between
NAND, NOT, AND …
Here Quantum mechanics comes into play
4
➢ 开辟全新的信息处理方式，发展以量子比特为 基础的量子信息处理技术。
科学技术发展趋势、国家重大战略需求
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18Байду номын сангаас
量子计算机的发展史
In the 1970’s Fredkin, Toffoli, Bennett and others began to look into the possibility of reversible computation to avoid power loss.
qubit system
……. 2020/2/19
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量子比特
Natural qubits:
Spin 1/2
s
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量子态叠加原理
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可逆逻辑们
可逆逻辑们 – 克服热耗散问题 封闭的量子系统按照哈密顿量做幺正演化，
本身就是可逆操作。
In Gate
Out
1997 Gershenfeld, Chuang, Cory, Fahmy, Havel: NMR quantum computing
2001 Vandersypen et al. : Experimental realization of Shor’s algorithm
2006: Negrevergne et al. Benchmarking quantum control on a 12-
量子计算研究进展
彭新华 中国科学技术大学近代物理系
2010. 3. 26
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量子信息
“Information is physical”. -- Rolf Landauer
量子物理 信息科学 计算机科学
交叉领域
量子计算
量子信息 量子通讯
量子密码学
量子计算机：基于量子力学原理，存储、 处理量子信息的计算装置。
NAND, NOT, CNOT … Sqrt(NOT) …
These quantum gates allow operations that are impossible on classical computers!
Since quantum mechanics is reversible, a possible link between computing and quantum devices was suggested
Some early work on quantum computation occurred in the 80’s
Mauchiy and Eckert
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ENIAC
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1952, EDVAC
Von Neumann
Electronic Discrete Variable Automatic Computer
Containing 2300 vacuum tubes, but 10 times faster than ENIAC (18000)
powerful than classical computers.
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量子计算机的发展史
Quantum algorithms
1985 Deutsh: the first quantum algorithm
1994 Coppersmith, Shor: quantum fourier transform, factorization
集成电路 (1959 - 1970)
大规模集成电路 (1971 - )
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计算机历史
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1642, Pascal
帕斯卡机械计算机，首次确 立了计算机器的概念。 概念
机械装置
1834, Babbage
差分机
提出了分析机的概念
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世界上第一台电子计算机--1946 ENIAC
量子计算机精品PPT课件
1992年，贝内特又提出 一种更简单，但 效率减半的方案，即B92方案。
量子密码术
量子密码术并不用于传输密文，而是用于 建立、传输密码本。根据量子力学的不确 定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃 听者的存在都会被发现，从而保证密码本 的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对 安全。
量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、 量子通道和量子测量装置。
按其所传输的信息分为两类：经典量子通信 和量子通信。
经典量子通信主要用于量子密钥的传输 。
量子通信
量子通信可用于量子隐形传送和量子纠缠的 分发。
隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的 信息传送。从物理学角度，可以这样来想象 隐形传送的过程：先提取原物的所有信息， 然后将这些信息传送到接收地点，接收者依 据这些信息，选取与构成原物完全相同的基 本单元，制造出原物完美的复制品。
量子力学原理
干涉性 状态叠加时，依各状态间的相位关系可能 出现相长或相消的状态，这是经典计算机 的布尔状态所不具备的特征。
状态变化 量子依照幺正变换法则，有系统的汉密尔 顿算子决定其变化。
量子力学原理
干涉性，状态变化这两个性质是量子并行 计算的基础，因为系统的各个状态按照幺 正变换同时变化，故一次量子计算可以同 时作用在多个数据上。
量子密码术
最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振 特性，在长距离的光纤传输中，光的偏振性 会退化，造成误码率的增加。
目前主流的实验方案则用光子的相位特性进 行编码。与偏振编码相比，相位编码的好处 是对光的偏振态要求不那么苛刻。
目前，在量子密码术实验研究上进展最快的 国家为英国、瑞士和美国。
(2024年)《量子计算机》课件pptx
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评估指标概述
量子计算机性能评估指标是衡量量子 计算机性能的重要标准，用于评估量 子计算机的运算速度、精度、稳定性 等方面的性能。
评估指标可以帮助我们了解量子计算 机的优势和局限性，为量子计算机的 设计、优化和应用提供指导。
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评估指标具体内容
量子比特数
量子计算机中用于存储和处 理信息的基本单元，量子比 特数越多，量子计算机的运 算能力越强。
《量子计算机》课件 pptx
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1目录Leabharlann • 量子计算概述 • 量子计算机体系结构 • 量子算法与应用领域 • 量子编程与开发工具 • 量子计算机性能评估指标 • 未来展望与挑战
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01
量子计算概述
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量子计算定义与原理
量子计算是利用量子力学中的原理来进行信息处理的新型计算模式。
。
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编写简单量子程序示例
使用Q#编写量子随机数生成器
通过Hadamard门和测量操作实现。
使用Quipper编写量子傅里叶变换
利用Quipper库中的函数和算子实现。
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使用QCompute编写变分量子本征求解器结合量子平台的资源和工具实现。18
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量子计算机性能评估指标
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量子编程语言（Quantum Programming…
用于编写量子计算机程序的编程语言，如Q#、Quipper等。
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量子操作系统（Quantum Operating S…
管理量子计算机硬件和软件资源的系统，提供用户友好的界面和工具。
超导量子计算机的研究进展
超导量子计算机的研究进展超导量子计算机是一种可以超越经典计算机能力并且有潜力革命性的新型计算机。
它使用超导材料中的量子比特进行计算，这些量子比特可以同时处于多个状态，从而理论上可以实现比任何现有计算机都要快得多的计算速度。
超导量子计算机的概念于20世纪80年代初提出，但是由于技术上的困难，一直没有得到实现。
近年来，随着技术的进步，超导量子计算机的研究取得了长足进展。
本文将介绍超导量子计算机的研究现状和进展。
1. 超导量子比特的制备超导量子计算机需要使用超导材料中的量子比特进行计算。
超导材料是在低温下可以完全消除电阻和磁场的物质。
为了实现超导量子计算，需要制备能够稳定存储信息的超导量子比特。
现有的超导量子比特制备方法主要有两种：基于量子比特的电路量子电动力学和基于拓扑量子比特的大量子比特。
其中，基于量子比特的电路量子电动力学是指使用微波电场控制超导量子比特的动力学行为。
这种方法已经成功地制备了多种不同的超导量子比特，包括单量子比特和双量子比特。
另一种制备超导量子比特的方法是基于拓扑量子比特的大量子比特。
拓扑量子比特是指使用谷电子能带拓扑结构进行量子编码的量子比特。
这种方法可以实现大规模的量子比特制备，并且具有在高温下稳定存储信息的特性。
2. 超导量子计算机的结构超导量子计算机是一个复杂的系统，包括硬件和软件两个部分。
硬件部分包括量子比特、量子逻辑门和量子控制电路等，而软件部分包括运行在计算机上的量子算法和编程语言。
为了实现超导量子计算，需要构建一个能够精确控制量子比特的系统。
目前，正在开展的超导量子计算机主要有两种结构：线性量子计算机和扇形量子计算机。
线性量子计算机是指使用一条直线上的量子比特进行计算。
这种结构可以在一个较小的规模内实现量子计算，但是随着量子比特数量的增加，受限于量子比特之间的耦合，可能会产生较大的计算误差。
扇形量子计算机是指将量子比特布置在一个圆弧上进行计算的系统。
这种结构可以将量子比特之间的耦合最小化，从而提高计算精度并且可以实现更大规模的量子计算。
量子计算机课件(精)
03
如何将更多的量子比特集成到一台量子计算机中，并保持其性能和稳定性是一个巨大的挑战。
量子计算机的可扩展性
1
2
3
超导量子比特是实现量子计算最有前景的物理系统之一，它利用了约瑟夫森结来制备超导材料中的量子态。
超导量子比特
离子阱是一种将离子捕获在微米级电极中的技术，通过控制电极上的电压，可以实现离子的量子态操作。
量子计算机对现有基础设施的影响
由于量子计算机的运行方式和传统计算机不同，因此它可能会对现有的基础设施产生影响。例如，网络传输协议可能需要重新设计以适应量子信息的传输。
量子计算机的安全问题
由于量子计算机的高效计算能力，它可能会被用于进行恶意活动，例如破解密码、窃取机密信息等。因此，我们需要研究和开发安全措施以防止这些潜在的风险。
CHAPTER
量子计算基础知识
量子比特是量子计算中的基本单元，它与传统计算机中的比特有所不同。在量子计算机中，量子比特可以处于多种可能的状态叠加态，这使得量子计算机能够处理和存储更加复杂的信息。
量子比特的状态可以通过量子态进行描述，它是一个向量，其中的每个元素代表该量子比特处于不同状态的概率幅。
量子比特的状态可以通过量子测量进行确定，而在测量之前，它的状态是不确定的，处于一种叠加态。
量子纠缠是量子力学中的另一个重要概念，它表示两个或多个量子比特之间存在一种特殊的关联。
当两个量子比特处于纠缠状态时，它们的状态是相互依赖的，一旦测量其中一个量子比特，另一个量子比特的状态也会立即确定。
03
CHAPTER
量子算法介绍
总结词
高效分解大数
详细描述
Shor算法是一种基于量子并行性的算法，可以高效地分解大数，这对于密码学和网络安全具有重要意义。相比经典计算机需要指数级别的时间复杂度，Shor算法只需要多项式级别的时间复杂度。
量子计算机技术的研究进展
量子计算机技术的研究进展一、概述量子计算机作为一种新兴的计算机技术，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。
与传统计算机不同的是，量子计算机利用量子力学中的特殊性质进行计算，具有在特定情况下能够比传统计算机更快、更有效地解决某些问题的优势。
自从20世纪80年代初期量子计算机的概念被提出以来，相关技术已经发生了巨大的进展。
本文将从硬件、软件和应用三个方面介绍量子计算机技术的研究进展。
二、硬件研究进展1. 量子比特的制备和控制量子计算机的基本单元是量子比特（qubit）。
常用的量子比特有超导量子比特、离子量子比特、量子点量子比特等，其中超导量子比特是最常见的一种。
近年来，科学家们已经成功地制备了超过50个的超导量子比特的量子计算机原型。
同时，研究人员还在探索新型的量子比特，如倍频器量子比特，这在将来能够提高量子计算机的计算效能。
2. 并行量子计算在传统计算机中，要处理大型数据集合通常需要运用多线程或者多进程的方式进行并行处理。
在量子计算机中，量子比特之间存在纠缠的关系，这种关系可以实现并行处理和快速运算。
近年来，科学家们已经成功地在实验室中实现了4个量子比特的并行量子计算。
3. 量子纠缠与量子通信量子态的纠缠是量子计算的基础，而量子通信技术则依赖于量子纠缠。
量子通信可以实现完美的加密，这是传统通信所无法达到的。
因此，量子通信被认为是未来安全通信的重要技术之一。
在实验室研究中，已经实现了超过50公里的量子通信距离。
三、软件研究进展1. 量子编码与量子纠错量子计算机在运算过程中会受到噪声的干扰，这会导致计算结果的错误。
为了解决这一问题，科学家们开始研究量子编码和量子纠错的方法。
其中，著名的Shor算法中的Quantum Error Correction Code被广泛运用在实验室中量子计算机的研究中。
2. 量子算法设计量子计算机可以极大地提高某些问题的计算效率，但是在大多数问题中量子算法与传统算法的计算时间复杂度关系并不优越。
量子计算机PPT课件
困难
• 如果一台量子计算机一天工作4小时左右，那 么它的寿命将只有可怜的2年，如果工作6小时 以上，恐怕连1年不不行，这也是最保守的估 计；假定量子计算机每小时有70摄氏度，那么 2小时内机箱将达到200度，6小时恐怕散热装 置都要被融化了，这还是最保守的估计！
• 由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们 的生活还将有一段漫长的距离。
• 量子计算机是根据量子力学态叠加原理和量子相干原 理而提出来的，它能存储和处理关于量子力学变量的 信息进行量子计算。量子计算机最大的优点是量子并 行计算，极大地提高了量子计算机的效率，使其可以 完成经典计算机难于完成的工作。如对一个129位数的 因子分解，用1600台超级计算机与互连网进行运算要 花8个多月才能破译，而用一台量子计算机几秒钟就轻 易解决了 。
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失去了量子相干性，量子计算的优越性就 消失殆尽。但不幸的是，在实际系统中，量子 相干性却很难保持。消相干（即量子相干性的 衰减）主要源于系统和外界环境的耦合。因为 在量子计算机中，执行运算的量子比特不是一 个孤立系统，它会与外部环境发生相互作用， 其作用结果即导致消相干。Uruh定量分析了消 相干效应，结果表明，量子相干性的指数衰减 不可避免。
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用途
• 量子计算机的主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不 规则立体图形体积、精确控制机器人或人工只能等需要大规模、 高精度的高速浮点运算的工作。
• 量子计算机可以进行大数的因式分解，和Grover搜索破译密码，但 是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用EPR对进行量子 通讯的实验中中我们发现，只有拥有EPR对的双方才可能完成量 子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息， 正所谓解铃还需系铃人，这样实现的量子通讯才是真正不会被破 解的保密通讯。此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟， 人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定愕方程或者采用 蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子 体系的特征。
《量子计算机》PPT课件-2024鲜版
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目
CONTENCT
录
2024/3/27
• 量子计算概述 • 量子计算机硬件实现 • 量子计算机软件与算法 • 量子计算机应用领域 • 当前挑战与未来发展趋势 • 总结回顾与课堂互动环节
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01
量子计算概述
2024/3/27
3
量子计算定义与原理
2024/3/27
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03
量子计算机软件与算法
2024/3/27
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量子编程语言与工具
量子编程语言
Q#、Quipper、QCompute等
Q#
微软开发的量子编程语言，集成于Visual Studio 中，提供丰富的库和工具。
Quipper
基于Haskell的量子编程语言，提供高级的量子编 程功能。
2024/3/27
化学反应动力学模拟
模拟化学反应的动力学过程，揭示化 学反应的机理和路径。
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优化问题求解
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组合优化
利用量子计算解决复杂的 组合优化问题，如旅行商 问题、背包问题等。
2024/3/27
线性规划
通过量子计算加速线性规 划问题的求解，提高优化 算法的效率。
非线性优化
利用量子计算的并行性优 势，解决非线性优化问题， 如神经网络训练等。
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技术挑战及解决方案
2024/3/27
量子比特的稳定性和可控性
提高量子比特的相干时间和操控精度，通过优化量子芯片设计和 制造工艺，降低环境噪声对量子比特的影响。
量子纠缠的保持与传递
研究高效、稳定的量子纠缠产生和保持方法，探索量子纠缠在远距 离通信和分布式量子计算中的应用。
物理学中量子计算的研究进展
物理学中量子计算的研究进展一、介绍量子计算是指利用量子力学的现象和特性来实现计算的一种方法。
相比于传统的计算方法，量子计算可以大幅提高计算速度，克服了传统计算的困难，因此被认为是未来计算技术的重要发展方向之一。
本文将重点介绍物理学中量子计算的研究进展。
二、量子计算机的发展史二十世纪初，人们对于物质的微观结构和性质的理解逐渐深入，同时，由物理学家们发现了一些基本粒子具有奇特的量子力学特性，如叠加态和纠缠态等，这些特性被认为是实现量子计算的基础。
量子计算机的概念最初由理论物理学家费曼提出，但是由于当时的技术水平限制，量子计算机的建立一直停滞不前。
直到上世纪80年代，理论计算机科学家预测出了一种能够运用物理规律进行计算的量子计算理论，人们才逐渐回到了量子计算的研究上。
而对于实现一台强大而可靠的量子计算机来说，最大的困难在于量子比特的制备、控制与测量，以及错误修正等问题。
在过去的几十年中，各个领域的科学家们共同致力于解决这些困难，推进了量子计算的发展。
三、量子计算机的理论基础量子计算机的理论基础是量子比特（qubit），类比于经典计算机中的二进制比特（bit），其中二进制比特只有值“0”和“1”两种可能，而量子比特则可以处于“0”和“1”两个状态的叠加态中，其主要特性如下：1. 叠加态量子比特在某次测量之前可以处于叠加态，即既处于“0”态，又处于“1”态的线性组合状态，而具体的测量结果是随机的。
这一特性使得量子计算具备了同时计算多个结果的能力。
2. 纠缠态另一个重要特性是纠缠态（entanglement），它可以实现两个量子比特之间的耦合，既一个量子比特的状态受到另一个量子比特的干扰。
这一特性可以实现量子计算中的并行计算，并且有望实现信息的安全传输。
四、量子计算中的主要技术1. 量子硬件制备量子计算机的制备需要先制备出量子比特的物理实现，这些物理实现包括超导电子、量子点自旋电子等。
在制备过程中，需要保证量子比特的计算性能和稳定性。
(完整版)量子信息与量子计算课件
(1.1-8)
i j ij
各种可观测量叫做作用于波函数上的算符。 任何一个物理量算符A的期待值或平均值为：
(1.1-9)
A A * r,t A r,t dr (1.1-10)
物理量A的测量值必须为实数
3. 自旋1/2体系的量子态
1
自旋
旋1
2 的粒子在z轴方向的投影只有自旋向上和向下两种可能，因此可自
量
量
子
子
通
计
信
算
量
量量
量
子
子子
子
隐
密计
算
形
钥算
法
传
分机
态
发
第一章 量子信息与量子计算的基本概念
§ 1.1 量子信息 § 1.2 经典解读 § 1.3 量子逻辑门（量子逻辑电路）简介 § 1.4 图灵机、经典计算机与量子计算机 § 1.5 有关量子信息编码的基本概念
§ 1.1 量子信息
一、 量子力学基础
1
0 1
(1.1-25)
一个量子比特能够处于既不是 0 又不是 1 的状态上，而是处于 0 和 1 的一个线性组合的所谓中间状态之上，即处于 0 和 1 的叠加态上。
a 0 b 1
(1.1-26)
n个量子比特的状态：
L 1, 2,L , n
(1.1-33)
很显然集合 { 00 , 01 , 10 , 11 } 是四维向量空间的 生成集合。
（B）．量子态叠加与量子态纠缠 当量子比特列的叠加状态无法用各量子比特的张量乘积表示的话， 这种叠加状态就称为量子纠缠状态。 例：有一量子叠加状态
大话量子计算机PPT课件
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我国量子计算机发展现状
中国科学院院士、我国量子通信与 量子信息技术首席科学家郭光灿教 授预言：１５年到２０年后，世界 首台量子计算机将有望研制成功。
由郭光灿院士领导的课题小组此前 在国际上首次解决了量子密钥分配 过程的稳定性问题，经由实际通信 光路实现了１２５公里单向量子密 钥分配。这是迄今为止国际公开报 道的最长距离的实用光纤量子密码 系统。
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量子计算机的研究现状
Los Alamos国家实验室的科学家，IBM，加利福尼亚理工学院和牛 津大学的科学家正在共同寻求建造量子计算机的方法。对这些公司和 大学来说，一旦成功的克服所有的困难，量子计算机一定会给他们带 来巨大的收益。
如果试图把量子计算机做成适合日常使用的放在我们桌面上的计算机 是不太现实的。因为它们不是很适合做类似文字处理和收发e-mail的 工作。另一方面，大规模的加密术是量子计算的很好思路，另外，大 规模数据库的建模和检索也是量子计算机能胜任的工作。
破解加密术只是量子计算机的应用的一个方面。另外，Shor也把只能 运行在量子计算机上的数学运算工具包放在一起，其中的许多运算是 用于因数分解运算的。此外，Feynman宣称量子计算机能作为一种量 子物理学的模拟器使用，这潜在的打开了在该领域许多发现的大门。 虽然目前量子计算机的威力主要还是理论上的思索，但是第一台具有 全功能的量子计算机无疑将带来许多新的令人激动的应用。
什么是量子计算机？
在量子计算机中，基本信息单元（叫做一个量子位或者qubit，也 叫做昆比特）不同于传统计算机，并不是二进制位而是按照性质四个 一组组成的单元。qubit具有这种性质的直接原因是因为它遵循了量 子动力学的规律，而量子动力学从本质上说完全不同于传统物理学。 qubit不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定存在，而且 也能在相应于这些传统位的混合或重叠状态存在。换句话说，qubit 能作为单个的0或1存在，也可以同时既作为0也作为1，而且用数字系 数代表了每种状态的可能性。这种现象看起来和人的直觉不符，因为 在人类的日常生活中发生的现象遵循的是传统物理规律，而不是量子