什么是量子计算机？量子计算机的困难在哪些地方？
本文是对什么是量子计算机？做一台量子计算机有哪些困难？视频的学习总结。
一、量子计算机理论提出的背景
经典计算机遵循着摩尔定律，即在导体芯片单位面积上集成的晶体管和电阻每18个月会翻一番。
但当晶体管集成度越高，芯片产热就越高，这样会阻碍计算的速度。
通过对芯片散热的研究发现，是计算机的不可逆操作，而非集成晶体管过多而引起发热。
因为计算机的操作本质是逻辑电路，计算机接收二进制数，也即布尔代数，来进行逻辑运算，即与或非操作。逻辑门，包括可逆和不可逆两种操作。研究发现删除1bit信息，将会产生ktln2的热量。因此当不可逆操作增加的时候，芯片的热量会增加。因此很多人采用cpu散热的方式来让计算机保持保速运转。
但根本的解决方式是：将不可逆操作转为可逆操作。因此，科学家提出了许多解决办法：光子计算机、生物计算机和量子计算机。
二、对量子计算机的理论研究
研究人员发现，通过量子力学的幺正变换，即对量子态的处理，能够解决经典计算机理论中的摩尔定律问题。就是用量子比特来代替经典比特。经典比特只能进行二进制操作，而量子比特的优势在于并行计算优势。
打造一台量子计算机，可以用量子双态系统来做比特位，即qubit。量子双态系统包括电子的自旋和光子的偏振等等。通过运用量子态叠加原理，n个量子比特，即qubit，可以表示2^n次方数，而n个经典比特只能表示1个数。因此，量子计算机具有天然的并行计算优势。
三、量子计算机的困难
- 拿什么做量子比特
理论上，二维复希尔伯特空间的两能级量子体系都可以作为量子比特，同时选择正交归一的量子态。
粒子在自旋时没有进行测量就是出于叠加态，测量时要么是↑要么是↓，这个是本征态，这两个状态在希尔伯特空间里都是矢量：
根据上图的公式，qubit在理论上可实现。 - 算法
经典计算机算法不能用在量子比特上，但彼得秀尔提出算法用量子比特来破解质加密的算法，成功将np问题变成p，并且创造了首个量子计算机算法。 - 量子相干性很难保持
量子纠缠现象，也即波函数坍缩，会使量子退相干，从而影响量子态。
为了阻止量子退相干，目前主要解决方式是下列三种量子编码技术。
量子纠错码：以牺牲资源为代价，纠错位设置的越多，相干性越强，但同时占用的资源也越大。此方向上主要有css纠错码、拓扑量子等技术。
量子避错码：在超辐射环境下，量子会保持相干，于是发展出了无消相干子空间。
量子防错码：一般适用于量子基态和激发态组成的两能级体系，量子正常是趋于基态的（最低能量态），如果保持测量频率，那么量子会一直处于激发态，也即量子芝诺效应。 - 选择什么两能级体系？用什么做量子芯片，怎么做？
好的两能级体系要具备保持量子相干性和量子集成化的特点。
目前的手段有：核磁共振、量子光学的离子阱、线性光学、超导和量子点。核磁共振、量子光学的离子阱、线性光学都是能够保持qubit的相干性，但是集成数量较少；超导和量子点能够大规模集成，但是相干性差。
目前的量子计算机技术还在集成几个或几十个qubit阶段，远比不上经典计算机的上亿晶体管的计算速度。大规模集成的量子计算机仍面临着保持相关性和量子算法不够多的挑战，但不可否认的是，它仍是计算机发展的未来。