量子计算发展研究报告（40页）

行业报告下载 2019年09月25日 08:29 管理员

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。

量子计算发展研究报告（40页）