量子计算机能成功吗（能实现吗量子计算机）

今年也到了诺贝尔奖发奖的季节。以10月4号的“生理学·医学奖”为开端，连续几天发表“物理奖”（5号）、“化学奖”（6号）。

与此同时，第二届是“物理学奖”的领域。由于科学家们长期的努力和探究心，有很多期待获得诺贝尔奖的研究。从中可以看出，它远远超过了以往计算机的计算能力，为实现这一目标而进行研究的“量子计算机”的难解世界。

量子计算机的研究可以追溯到1980年代。当时，以量子计算机研究为中心的学者之一是理查德·费曼。他是对量子力学发展做出巨大贡献的美国出身的物理学家，费曼认为，为了进行物理的正确模拟，使用量子力学原理的计算机是必要的，因此提出了量子计算机的理论模型。只是当初，对量子计算机表示兴趣的研究者是极少数。后面会说明，实际上制作量子计算机需要高超的技术能力。

量子计算机尤其受到关注是在1994年。美国数学家彼得·肖尔发现“如果使用量子计算机用特定的算法进行运算，就能高效率地进行质因数分解”。质因数分解是“21＝3×7”这样把大的数字表示为素数的乘积。“21＝3×7”的质因数分解很简单，但是“9420013＝2683×3511”等，数量越大，越难解答。如果是600位左右的数字的话，我们现在使用的电脑（以后称为“古典计算机”）是无论如何也解答不了的。超级计算机也是不可能的（更确切地说，虽然花了非常长的时间就能解开，但是那个时候地球大概已经灭亡了吧）。

另一方面，如果两个素数相乘的话，即使是600位以上，古典计算机也能瞬间处理。另外，如果知道两个素数中的某一个的话，那么通过计算，也可以瞬间查明另一个素数。两个素数的相乘很简单，但是从乘法的回答中却找不到原来的素数。这种性质可以应用于二者之间交换信息时的坚固的密码制作技术，现在也广泛用于网络通信。我们能够安心地在网上购物，也是因为使用质因数分解的密码不会被任何人破坏。

因此，如果真的能用量子计算机进行质因数分解的话，网络的安全性就会从根本上动摇，社会就会大混乱。因此，肖尔的发现吸引了许多研究人员的兴趣，量子计算机的研究也一下子加速了。幸运的是，更安全的量子网络和量子密码等的研究也在进行。

正如肖尔的算法所代表的那样，量子计算机隐藏着能很快解开古典计算机不擅长的计算的潜力。这就是“用超级计算机计算的话，需要○○年，但是，用量子计算机计算的话分分钟就能搞定！”。那么，为什么量子计算机能计算得那么快呢。先说答案的话，“量子计算机是用与古典计算机完全不同的计算顺序来解决问题的，也就是说，量子计算机和古典计算机的动作原理和运算完全不同，是一种“新型”的计算机。

那么，量子计算机到底是什么呢。一言以蔽之，那就是“利用微观世界的物理现象的计算机”。古典计算机将数据写入数十纳米（十万分之几毫米）的精细加工半导体中进行计算，量子计算机将数据写入更小的物质，例如原子、电子、光子等中进行计算。因为需要非常细致的技术，所以在费曼生活的时代，量子计算机的研究没有受到关注也是可以理解的。我们以“离子陷阱型量子计算机”的情况为例，来说明一下使用什么样的技术完成了这样的事情。

“离子陷阱型量子计算机”是将数据写入“离子”中进行计算的量子计算机。所谓离子，在这里指的是带有电的冷却原子，但如果认为主要是小而不能转动的电粒子就OK了。因为离子带有电，所以从周围受到静电的影响。例如带正电的离子会排斥正电荷，会被负电荷吸引。那么，如果从四面八方交替给予包围某一个离子的正/负电场，会发生什么呢？那个离子从周围交替接受「引力」和「斥力」，不过，这个时候条件一致的话完全进退维谷。这是一种封闭离子的技术“离子陷阱”。

如果应用离子陷阱的话，可以在多个棒状电极包围的筒状空间内，将多个离子排列成一列来封闭。实际上，像这样排列的离子列是“离子陷阱型量子计算机”。2012年，这种离子陷阱型量子计算机的开发成为诺贝尔物理学奖的获奖对象。

首先，我们只关注其中一粒离子。作为离子所具有的量子性质，如果被规定波长的光照射，则会吸收该光。而且，我们通过观察离子的行为，可以区分该离子是吸收光之前的状态还是吸收后的状态。如果将各个离子的状态称为“0”“1”，则可以将离子状态的排列方法作为二进制数据来处理。

但是，如果我们没有观测到离子的话，那离子的状态是“0”还是“1”就不一定了。那么，到底是怎么回事呢，实际上是“0和1（以某个重量）重叠的状态”这种特殊的状态。能取得这样的状态是量子计算机的一大特征，和古典计算机有着决定性的不同。像这种离子一样，可以取“0和1的某个重量重叠的状态”的叫做“量子比特”。

古典计算机用“0”“1”这两种数字来表现一切，所以要反复进行转换“0”“1”的运算操作来寻求答案。另一方面，因为量子位在“0和1的重量重叠的状态”的状态下进行运算，所以有必要用与古典计算机完全不同的逻辑体系进行运算。换言之，可以用与我们至今为止使用的（四则运算）运算完全不同的想法来解决问题。这就是“量子计算机用与古典计算机完全不同的计算程序来解决问题”的原形，可以说其起源在于量子比特的性质。

利用量子的“纠缠”一次性进行大量运算处理

量子比特的运算需要利用量子所具有的另一个特性“量子纠缠”。量子纠缠是指在两个量子比特之间有特殊相互作用的情况下，这两个量子比特一体，“0”“1”的状态重叠的现象。例如，当两个量子比特纠结在一起时，“00”“01”“10”“11”会以各自的概率相互重叠。

比如说，如果排列着很多离子的话，相邻的离子都是带着电的颗粒，所以受到相互排斥的力量。因此，彼此的离子就像用看不见的弹簧连接着一样相互作用，这种振动会产生量子纠缠（这次以离子为例进行了说明，即使是没有电荷的粒子，如果两个粒子之间有某种相互作用的话也可以引起量子纠缠）。

如果应用量子纠缠，则可以在相互作用的情况下对各个量子比特进行运算处理。

例如，通过使多个量子比特纠结在一起，可以从“000…00”到“111…11”也可以保持之前状态的叠加，一口气计算。如果有20个量子比特的话，实际上可以一次进行250≈1000兆的运算。实际上为了从这种状态中取出所希望的答案，还需要再下点功夫，如果顺利的话，比起一个一个地计算多个条件的古典计算机，可以更快地处理。

期待量子计算机活跃的应用对象不限于质因数分解。古典计算机不擅长的组合问题、量子化学计算等等，如果有新的运算方法的话，也许就能解开。

虽然这么说，但是具体活用这个特点，制作怎样的算法才能进行有趣的计算，量子计算机主机能开发到什么程度，还有很多不知道的事情。几十年后，我期待着观测量子计算机活跃的社会。