所不同的是，电子计算机所用的电子存储器，在某个时间只能存一个数据，它是确定的，操作一次就把一个比特（bit，存储器最小单元）变成另一个比特，实行串行运算模式；而量子计算机利用量子性质，一个量子比特可以同时存储两个数值，N个量子比特可以同时存储2的N次方数据，操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据，以此类推，运行模式为一个CPU的并行运算模式，运行操作能力指数上升，这是量子计算机来自量子性的优点。量子计算本来就是并行运算，所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。

　　图2. 量子计算机工作原理

　　要想研制量子计算机，除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外，还需要研制与之相关的软件，包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。

　　一台量子计算机运行时，数据输入后，被编制成量子体系的初始状态，按照量子计算机欲计算的函数，运用相应的量子算法和编程，编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换，将量子计算机的初态变成末态，最后对末态实施量子测量，读出运算的结果。

　　一台有N个量子比特的量子计算机，要能保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作，才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作，完成量子计算机的运算任务。这是量子芯片的基本要求。如果要超越现有电子计算水平，需要多于1000个量子比特构成的芯片。目前还没有这个能力做到。这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流。

　　除此以外，还有其他量子计算模型，如：单向量子计算，分布式量子计算，但其研制的困难并没有减少。另外，还有拓扑量子计算，绝热量子计算等。

　　由于对硬件和软件的全新要求，量子计算机的所有方面都需要重新进行研究，这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科，是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程。

　　3

　　把量子计算机

　　从“垃圾桶”捡回来的

　　量子编码与容错编码

　　实现量子计算机最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。

　　所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。

　　量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。

　　采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。

　　不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统 纠回理想的状态。这是非常关键的。

　　什么条件下能容错呢？这里有个容错阈值定理。每次操作，出错率要低于某个阈值，如果大于这个阈值，则无法容错。

　　这个阈值具体是多大呢？

　　这与计算机结构有关，考虑到量子计算的实际构型问题，在一维或准一维的构型中，容错的阈值为10^-5，在二维情况（采用表面码来编码比特）中，阈值为10^-2。

　　目前，英国Lucas团队的离子阱模型、美国Martinis团队的超导模型在单、双比特下操作精度已达到这个阈值。

　　4

　　量子计算机的“量子芯”

　　量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。

　　20世纪90年代时，美国不知道什么样物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。