量子计算早期的三位先驱科学家在量子计算发展最初的阶段作

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在量子计算发展最初的阶段作出重要贡献的三位先驱科学家（从左至右）：保罗·贝尼奥夫（PaulBenioff）、戴维·多伊齐（DavidDeutsch）和彼得·秀尔（PeterShor）
编者按
2021年10月25日，中国科学技术大学潘建伟团队在物理学期刊《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上同时报告了两个关于量子计算的新进展。其中一个，是66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”的工作，研究人员通过操控其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性；另一篇论文是升级版的光量子计算原型机“九章2.0”：对于高斯玻色采样问题， “九章2.0”具有了部分可编程的能力，其一分钟完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间。
量子计算在一些特定问题上的巨大优势，令人期待其在帮助解决一些实际问题上发挥出自己的能量。那么，量子计算的概念是怎样提出来的？量子计算的实质是什么？我们如何证明量子计算理论上的优越性？
【量子计算早期的三位先驱科学家】以下这篇文章，就以上问题进行了解答，并介绍了在量子计算发展最初的阶段作出重要贡献的三位先驱科学家。
撰文｜揍苏江流
责编｜Melody
量子计算概念的提出
提及量子计算，人们大抵会想到1981年在麻省理工学院举办的第一届计算中的物理大会（FirstconferenceonthePhysicsofComputation）上，理查德·费曼（RichardFeynman）做出的关于量子计算的演讲。但实际上，保罗·贝尼奥夫（PaulBenioff）也参加了那次大会。与费曼讨论能否在经典计算机中有效模拟量子系统不同的是，贝尼奥夫主要讨论了是否能构造出没有耗散，且遵循量子力学进行操作和运算的计算机模型。
贝尼奥夫的这次报告主要基于他在1980年发表的学术杂志文章中的工作。在当时关于计算机的模型形式就有很多讨论，大部分的计算机模型都是考虑的开放耗散系统，一个很自然的问题就是，计算机模型是否能通过封闭且能量守恒的系统构造？如果存在，就可以减少很多计算机处理信息和运算过程中的能量损耗问题。贝尼奥夫在他1980年的论文当中，构造出这样无能量耗散的计算模型。
在介绍贝尼奥夫的工作之前，首先需要简单了解一下图灵机。图灵机是计算机科学中常用的一个理论模型，它的主要组成部分有无限长的纸带、读写头、一套控制规则和状态寄存器。纸带被分隔成了一个接着一个的小格子，每个格子上要么是0要么是1或者别的符号。计算过程就是让机器读入纸带，根据当前机器所处的状态和当前读写头所指的格子上的符号，通过控制规则，更改状态寄存器的数值。重复以上的过程，直到寄存器中存储的状态为某个特殊状态，触发图灵机停止运算。
在贝尼奥夫的工作中，他将图灵机中的每个组成部分和操作，在他构造出的基于量子系统的计算机模型中找到了对应。在他的构造中，一维自旋晶格构成了图灵机的纸带，在晶格中一个固定位置的粒子构成了寄存器，而所有可能的图灵机的状态都由所有可能的自旋投影结果构成，而读写头则是由一个沿着晶格移动的无自旋粒子构成。他证明了对于每一个图灵机和任意数量的问题规模，都存在一个对应的哈密顿量和一类合适的初态，让图灵机的每一步的计算对应到纯态的演化过程中。需要注意的是，这样的模型并不是完全没有能量的损耗，其能量的损耗会出现在诸如检查计算是否结束、让图灵机恢复到初态的过程中。毫无疑问，贝尼奥夫的这些理论工作都给量子计算机的发展奠定了坚实的理论基础。