什么是量子计算机？
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。
迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。
谁先赢得"量子霸权"?
近日，美国IBM（国际商用机器公司）宣布成功研制一款50量子位处理器原型。业内专家表示，尽管不清楚该处理器原型的性能细节，但这一事件说明“量子霸权”争夺战正进入关键期，不过量子计算距实际应用仍有距离。
“量子霸权”激烈竞争
过去18个月中，IBM先后对外推出5和16量子位处理器。此次，该公司又宣布成功研制20量子位处理器，其量子位状态（即相干时间）能维持创纪录的90微秒。但更引人注意的是，它还宣布成功构建具有类似性能指标的50量子位处理器原型。
50量子位被认为是量子计算中的一个里程碑。业界讨论中常用的一个词是“量子霸权”，这是指如果量子计算机的计算能力超过经典计算机，就实现了相对于经典计算机的“霸权”。有观点认为，量子计算机在有50量子位后就能实现“量子霸权”。
业界巨头在为这个目标激烈竞争。除了IBM外，谷歌、英特尔和微软等也投入大量研发资金。谷歌一直被视为“领头羊”，已推出9量子位的机器，并宣布将于今年年底前公布49量子位系统。
“IBM发布这一消息是为了赶超谷歌？人们免不了有这样的怀疑，”美国得克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森告诉新华社记者，“大家清楚谷歌和IBM是目前超导量子位技术的两大领先者，它们的水平大致旗鼓相当。”
超导量子计算是实现量子计算的一种方式。就在一个月前，英特尔宣布推出17量子位超导计算测试芯片。中国科学技术大学潘建伟团队曾于今年5月宣布实现10个超导量子比特的纠缠，在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。
阿伦森说，全球还有其他许多团队在使用不同方法研制量子计算技术，他对接下来一年左右时间可能有某个公司赢得“量子霸权”争夺战而兴奋。
“很显然，建造量子计算机现在是一个世界范围内的竞赛，”阿伦森说，“IBM的宣布并不会使竞赛平息，因为真正的问题不是有多少个量子位，而是能用这些量子位做些什么。”
量子位数量并非全部
IBM宣称的50量子位处理器原型到底处于什么水平？阿伦森说，IBM没有发表任何研究论文，很难知道该处理器原型的技术细节，所以他在表示祝贺的同时，也有一些疑问，包括该处理器原型的相干时间到底是多少？使用了多少量子门？这个系统足以进行“量子霸权”演示吗？
“量子位的数量远不是唯一的关键因素。否则按这个算的话，（加拿大）D波公司已在销售的一个系统已经有2000个量子位了，问题在于这些量子位似乎没有足够好的相干时间，以至于该系统没有任何方面明显胜过经典计算机。”他说。
D波公司的系统与IBM、谷歌等研制的系统完全不同，它无法进行逻辑门运算，相干时间也难以考据，许多研究人员认为称它为量子计算机不妥。
美国马萨诸塞大学研究超导量子电路的助理教授王晨持类似看法。他说，IBM做得怎么样，归根结底还是要看它们的50个量子位连在一起性能如何。
“对于超导量子计算机，印制成千上万个量子位并不是根本性的难点，难点在于如何让它们的量子态精确无误地相互作用，”王晨说，“鉴于IBM没有提供（50量子位原型）任何具体信息，所以我们无法评价。”