早在20世紀80年代，美國著名物理學家費曼提出了按照量子力學規律工作的電腦的概念，這被認為是最早的量子電腦的構想，此後科技界就沒有停止過探索。
近年來，量子電腦領域頻頻傳來重要進展：美國霍尼韋爾公司表示研發出64量子體積的量子電腦，效能是上一代的兩倍；2020年底，中國科學技術大學潘建偉教授等人成功構建76個光子的量子電腦「九章」；2月初，中國本源量子計算公司負責開發的中國首款量子電腦作業系統「本源司南」正式釋出……
作為「未來100年內最重要的電腦技術」「第四次工業革命的引擎」，量子計算對於很多人來說，就像是屬於未來的黑科技，代表著人類技術水平在想象力所及範圍之內的巔峰。世界各國紛紛布局量子計算並取得不同成就後證實，量子計算雖然一直「停在未來」，但「未來可期」。
莫耳定律終結後量子計算將擔重任
20世紀60年代，平面型積體電路問世，光刻技術成為了半導體元器件效能的決定因素：只要光刻精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高。因此，平面工藝被認為是「半導體的工業鍵」，也是莫耳定律問世的技術基礎。
莫耳定律指出，平均每18個月，積體電路芯片上所整合的電路數目就翻一倍。雖然這並不是一個嚴謹的科學定律，但在一定程度上反映了資訊化大數據時代人類對計算能力指數增長的期待。
隨著芯片整合度不斷提高，我們的手機、電腦等電子產品也在不斷更新換代。那麽，莫耳定律會不會被終結？
莫耳定律的技術基礎天然地受到兩種主要物理限制：一是巨大的能耗讓芯片有被燒壞的危險。芯片發熱主要是因為電腦門操作時，其中不可逆門操作會遺失位元，每遺失一個位元就會產生相應熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，電腦溫度必然會迅速上升，必須消耗大量能量用於散熱，否則芯片將被高溫燒壞。
二是量子穿隧效應會限制積體電路的精細程度。為了提高整合度，晶體管會越做越小，當晶體管小到只有一個電子時，量子穿隧效應就會出現。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小於勢壘高度時，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；而對於微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的機率貫穿勢壘，實際也是如此，這種現象稱為穿隧效應。簡單來說，當積體電路的精細程度達到了一定級別，特別是當電路的線寬接近電子波長的時候，電子就透過穿隧效應而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。
鑒於以上兩點，物理學家預言莫耳定律終將終結。現有基於半導體芯片技術的經典電腦，芯片整合密度不可能永遠增加，總會趨近於物理極限，應付日益增長的數據處理需求可能越來越困難。
最新一代的英特爾酷睿處理器，它的芯片每一平方公釐的面積已經整合了一億個晶體管。中國的太湖之光超級電腦，大約用了四萬多個CPU。如果莫耳定律終結，提高運算速度的途徑是什麽？破局的方向指向了量子計算。
量子位元讓資訊處理速度指數提升
給經典電腦帶來障礙的量子效應，反而成為了量子電腦的助力。
費曼認為微觀世界的本質是量子的，想要模擬它，就得用和自然界的工作原理一樣的方式，也就是量子的方式才行。他將物理學和電腦理論聯系到一起，提出了基於量子態疊加等原理的量子電腦概念。
位元是資訊操作的基本單元，基於量子疊加態原理，科學家們嘗試用量子位元取代經典位元。
經典位元有且僅有兩個可能的狀態，經常用「0」和「1」來表示，就好比一個開關，只有開和關兩個狀態。而量子位元就好比一個旋鈕，是連續可調的，它可以指向任何一個角度。也就是說，量子位元不只有兩個狀態，可以處於0和1之間任意比例的疊加態。想象一下，一枚擺在桌上靜止的硬幣，你只能看到它的正面或背面；當你把它快速旋轉起來，你看到的既是正面，又是背面。於是，一台量子電腦就像許多硬幣同時翩翩起舞。
假設一台經典電腦有兩個位元，在某一確定時刻，它最多只能表示00、10、01、11這四種可能性的一種；而量子計算由於疊加性，它可以同時表示出四種資訊狀態。
對於經典電腦來說，N個位元只可能處在2N個狀態中的一種情況，而對於量子位元來說，N個量子位元可以處於2N個狀態任意比例疊加。理論上，如果對N個位元的量子疊加態進行運算操作，等於同時操控2的N次方個狀態。隨著可操縱位元數增加，資訊的儲存量和運算的速度會呈指數增加，經典電腦將望塵莫及。
有報道指出，一台30個量子位元的量子電腦的計算能力和一台每秒萬億次浮點運算的經典電腦水平相當，是今天經典桌上型電腦速度的一萬倍。據科學家估計，一台50位元的量子電腦，在處理一些特定問題時，計算速度將超越現有最強的超級電腦。
多種發展方案未來可期
量子電腦是宏觀尺度的量子器件，環境不可避免會導致量子相幹性的消失(即消相幹)，一旦量子特性被破壞，將導致量子電腦並列運算能力基礎消失，變成經典的序列運算，這是量子電腦研究的主要障礙。
即便量子電腦的研究已經出現諸多成果，但還處在早期發展的階段。倘若類比經典電腦，今天的量子電腦幾乎是位於經典電腦的電子管時代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。
目前主流的技術路徑有超導、半導、離子阱、光學以及量子拓撲這五個方向，前四種路徑均已制作出物理原型機。各國科學家研究比較多、也相對成熟的有超導量子計算、半導量子點量子計算等。
超導量子計算的核心單元是一種「超導體－絕緣體－超導體」三層結構的約瑟夫森結電子器件，類似晶體管的PN接面。其中間絕緣層的厚度不超過10奈米，能夠形成一個勢壘，超導電子能夠穿隧該勢壘形成超導電流。與其他量子體系相比，超導量子電路的能階結構可透過對電路的設計進行客製，或透過外加電磁訊號進行調控。而且，基於現有的積體電路工藝，約瑟夫森結量子電路還具有可延伸性。這些優點使超導量子電路成為實作可延伸量子計算最有前景的物理方案之一。
量子點量子計算，是利用了半導體量子點中的電子自旋作為量子位元。量子點是一種有著三維量子強束縛的半導體異質結結構，其中電子的能階是分立的，類似於電子在原子中的能階結構，因此被稱為「人造原子」。量子位元編碼在電子的自旋態上，使用微波脈沖或者純電學的方法進行單量子位元操控。量子點方案的優點則是量子位可以是巢狀在固態量子器件上，這與經典電腦的大規模積體電路的設計相似，被認為是最有可能實作大規模量子電腦的候選方案。
量子電腦的運算速度取決於其能夠操控的量子位元數。由於消相幹的存在，操控量子位元難免出現錯誤，從而計算失效。以超導量子計算為例，一億次的操控最多只允許犯一次錯誤。操控量子位元難度如此之大，以至於早期許多科學家認為量子電腦不可能制造出來。
目前而言，超導量子芯片要比半導體量子芯片發展得更快。2019年，谷歌公司釋出了53個超導量子位元的量子計算原型機「懸鈴木」。2020年12月4日，中國科大潘建偉團隊構建起76個光量子的量子計算原型機「九章」，處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級電腦快一百萬億倍。
不過，無論是「懸鈴木」還是「九章」，目前都只是僅能夠處理運算特定數學問題的「原型機」。而我們的「星辰大海」是造出有大規模容錯能力的通用量子電腦。畢竟，量子時代的「未來已來」，超強的量子計算值得期待。
