量子计算发展研究报告（40页）

量子叠加指一个量子系统可以处在不同量子态的 叠加态上。在量子系统中，量子态是指微观粒子所处的一系列不连续 的恒稳运动状态。在无外界观测干扰时，量子系统可处于一系列量子 态叠加态上，也即是著名的“薛定谔的猫”。三是量子纠缠。指微观 粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响影响的现象。在量 子系统中，存在量子关联的多个粒子即使在空间上被分隔开，也能够 相互影响运动状态，这是量子通信等的技术基础。 当前，量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量等 三个技术领域。量子计算是基于量子态受控演化的一类计算技术。量 子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力， 有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。量子通信利 用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输，主 要包括量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信可大幅提升通信 的安全性，将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响。量 子测量可基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系统物 理量的执行变换和信息输出。量子测量主要包括时间基准、惯性测量、 重力测量、磁场测量和目标识别等方向，其在测量精度、灵敏度和稳 定性等方面比传统测量技术有明显优势。 2、量子计算的基本原理与特征 量子计算以量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现数 据的存储计算。量子计算机就是遵循量子力学规律，基于上述原理进 行信息处理的一类物理装置。当前，量子计算机可大致分为三类：量 子退火、嘈杂中型量子（NISQ）计算、容错型通用量子计算。

一般而言，量子计算机的计算过程可以分为数据输入、初态制备、 量子逻辑门操作、量子测算和数据输出等步骤。其中，量子逻辑门操 作是一个幺正变换，这是一个可以人为控制的量子物理演化过程。对 量子计算机的可用性而言，需要从量子比特数、长相干时间保护、高 保真度量子操作等多个维度进行综合衡量。与经典计算相比，量子计算具有以下特点： 一是并行计算能力更强。一般地，描述 n 个量子比特的量子计算 机需要 2n 个系数数字，当 n 增大时所有状态所需数字很大。但由于 量子叠加效应，量子计算过程中的幺正变换可以对处于叠加态的所有 分量同时进行操作（也即量子并行性）。因此，量子计算机可以同时 进行多路并行运算，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。二是能耗更低。当前，经典计算中运算速度遇到的一大瓶颈就是 能耗问题对芯片集成度的制约。有研究表明，能耗产生于计算过程中 的不可逆操作。直观而言，传统芯片的特征尺寸很小（数纳米）时， 量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、 能耗提高，这即是传统摩尔定律面临失效的原因。因此，必须将不可 逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相较之下，量 子计算中的幺正变换属于可逆操作，因而信息处理过程中的能耗较低， 这有利于大幅提升芯片的集成度，进而提升量子计算机算力。