量子计算机的概念及医疗应用

2011年5月11日，加拿大量子计算公司正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”，不过这只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。

2019年1月8日，在今年的拉斯维加斯国际消费电子展上，IBM首次公开了名为IBM Q System One的量子计算机系统。到目前为止，这是全球唯一的一台独立量子计算机。

一、量子计算机的概念

传统的计算机是基于晶体管的，所有微处理器都是由数百万个微型晶体管组成，每个晶体管都可以存储或处理“1”或“0”的值。因此，传统的计算机用“二进制数字”或“比特”组成的格式处理数据。

而量子计算机使用量子力学状态下的亚原子粒子（结构比原子更小的粒子）来存储和处理信息。数据可以通过电子的自旋方向或光子的偏振方向来表示。单个亚原子粒子可以用来表示数据的“量子位”，一个“量子位”可以同时表示“1”和“0”的值。这是因为量子力学的特性，被作为量子位的亚原子粒子能以一个以上的状态存在，或者说是“叠加”在同一时间点上。

量子位可以同时存在于两种状态，其含义是，当从一个量子位读取数据时，结果将是“1”和“0”。量子位可以同时存储多个数值，因此量子计算机将具备大规模并行处理数据的能力。事实上，通过增加额外的量子比特处理能力，量子计算机的功率能够呈指数级增长。相比之下，当添加额外的数据处理设备时，传统计算机的性能只会成倍数增加。

另外，量子计算机研发缓慢的原因是因为量子比特非常有限。需要控制的量子效应非常微妙，杂散热量或噪音都可能会翻转“1”和“0”，或者消除一个重要的叠加。量子比特必须被小心地保护起来，并在非常冷的温度下（只有绝对零度以上的几分之一，大约是-273.135℃）才能正常工作。

二、量子计算机的性能

关于量子计算机的运算能力，有一种比较，如果用现在最强大的计算机对目前密级最高的1024位公钥密码进行暴力破解的话，需要上百万年的时间。而使用一台“1024量子比特”的量子计算机，破解的时间就只需要几天。以量子计算机这样量级的计算能力，首先挑战的就是世界的安全体系。所以科学家们正在加紧研究新的量子密码加密体系。

如果量子计算机能够商用之后，就会迫切解决当前各行业棘手的问题，也就是传统计算机无法解决的计算复杂性问题。具体来说，就是在银行、金融、安全系统，甚至是新药、新材料的研究等这些对普通生活和工业界产生巨大影响的领域，都会首先让量子计算机得以应用。可能在很短的时间内，就能得到关于新药、新材料的一些新的特性数据，人类的生活模式、商业模式，都将会得到极大的改变。

三、在医疗方面的应用

（一）新药开发

新药的开发过程非常复杂，需要对无数的分子组合进行测试，从而找出能有效对抗疾病的分子组合。这个过程可能会持续数年，且耗资数百万美元。量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成，并将其中最有效的组合快速识别出来，显著提高药物的研发效率，降低成本和周期。

（二）医疗大数据

大数据下的精准医疗与微生物组学的发展产生了海量的数据运算任务，现有的计算机技术已无法胜任，而量子计算机强大的计算能力可以解决一些高度复杂的医疗问题，辅助人工智能系统以更快的速度、更深的层次处理数据，从而帮助人类从大量非结构化数据中的处理中解脱出来。

（三）医疗保健

量子计算机可以带来真正的个性化医疗。从理论上讲，量子计算机能使基因组测序更加高效，可以同时收集和整理所有可能的基因变异，并立即找到所有的核苷酸对，使整个基因组测序过程呈指数级缩短。快速量子基因组测序，可以让我们将全世界的DNA汇集到一个通用的人口健康数据库中，以便在更深层次上了解我们的基因组成，并有可能发现以前未知的疾病模式。