量子魅影

邱月燁

3月初，IBM發(fā)布了其量子計算機研究的三項新紀錄，這震動了整個物理界。

量子計算機的計算能力將超過任何超級計算機。

當我們還在感嘆一個小小的芯片可以集成超過數(shù)億個晶體管，去年我們還認為Intel研制出的3D晶體管是“晶體管歷史上最偉大的發(fā)明”的時候，量子計算機(Quantum Computer)便以更加驚艷的方式成為焦點。

在3月初舉行的美國物理學會年會上，以馬賽厄斯·斯特芬博士為首的IBM團隊展示了他們在量子計算機方面的最新研究成果：3D超導量子比特(quhit)裝置及包含3個量子比特的硅晶片。中國科學技術(shù)大學從事半導體量子芯片研究的郭國平教授認為，上述設(shè)備非常類似于我們現(xiàn)在廣泛使用的電腦芯片，采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，在超導的金屬鋁材料上即可制備出進行量子信息處理的芯片。

與此同時，IBM發(fā)布的三項新紀錄震動整個了物理界，他們做到了減少基本運算誤差、保持量子比特中量子機械特性的完整性，以及將量子的相干時間(即系統(tǒng)一直進行量子信息處理而不發(fā)生錯誤的時間)延長了2個數(shù)量級?！斑@一次，他們采用了一種新的三維結(jié)構(gòu)，就像用一個盒子把芯片包裹起來以避免外界的干擾，使得量子相干時間延長到100微秒，這樣每進行10000次(以前是100次)作才出錯，因此他們的芯片可以進行很多次的量子計算，性能比以前更為強大”，郭教授解釋。

這100微秒，對你我來說只是一瞬，但對于量子計算來說，卻可以同時處理百萬項任務(wù)。傳統(tǒng)的計算機將信息識別為“0”或“1”兩種狀態(tài)的二進制數(shù)據(jù)，就像燈泡一樣，非開即關(guān)；而量子計算則如同“薛定諤的貓”，它可以同時處理數(shù)據(jù)“1”和“0”，這就意味著兩個量子比特可以表示4個賦值，三個量子比特則可以表示8個，以此類推。不過更讓人驚異的是，最子比特所呈現(xiàn)的這種特性，就好比一盞燈可以同時處于開和關(guān)兩種狀態(tài)一樣，具有天然的并行計算能力。斯特芬博士說：“這就像我可以同時身處兩個不同地方，但是這樣的事情在現(xiàn)實世界中不可能發(fā)生?！?/p>

早在100年前，量子力學理論就開始不斷沖擊人們的既有認知。而一個多世紀過去了，量子鬼魅般行蹤的魅力卻讓無數(shù)科學家為之傾倒。諾貝爾物理學獎獲得者理查德-費恩曼于1982年引入量子計算的概念，至今已有越來越多的研究人員投身關(guān)于量子計算機的研發(fā)：2007年。D-Wave公司宣稱他們制造出了世界第一臺商用量子計算機(迄今為止只賣出了一臺)；2010年，美國與澳大利亞科學家成功制造出在單晶硅表面構(gòu)成一個量子點的晶體管；2011年初，牛津大學的科學家首次將100億個量子比特植入高純度的硅晶體中……目前，許多政府和軍隊也在出資支持進行量子計算機研究和開發(fā)的機構(gòu)。

“正如芯片和計算機是目前信息時代的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，量子芯片及相應(yīng)的量子計算機有望在15-20年后成為后摩爾時代核心的信息技術(shù)。量子計算機將帶來新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)升級，它將滿足未來信息社會對于海量數(shù)據(jù)處理和高性能的超級計算的強烈需求”，郭教授如是說。

那么，如果量子計算機成為現(xiàn)實，會帶來怎樣的改變?毋庸置疑，量子計算機的計算能力超過目前任何超級計算機，250個量子比特所包含的比特數(shù)甚至超過整個宇宙的原子數(shù)量。到時，計算機性能將呈指數(shù)倍增長；游戲迷們可以輕松地同時運行數(shù)千個《孤島危機》(游戲)；科學家們可以更加準確地進行天氣預(yù)報，甚至可以預(yù)測如地震、海嘯等自然災(zāi)害；至于DNA序列的計算，則只需花上幾分鐘的時間(現(xiàn)在需要數(shù)日)。或許我們還可以建造一座像Matrix(《黑客帝國》)一樣的虛擬世界，可以用擁有與人腦思考速度(每秒500萬億字節(jié))一樣快的設(shè)備實現(xiàn)讀心，甚至心靈感應(yīng)。不過隨之而來的還有安全問題，因為量子計算可以使世界上最強大的加密算法瞬間土崩瓦解。1994年美國Bell實驗室的Peter Shot博士提出在量子計算機上實施大數(shù)質(zhì)因子分解算法，將可以破解目前通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密體系，這些需要1600個計算機工作站連續(xù)運行8個月時間破解的密碼，量子計算機只需要1秒鐘。

目前，人們對于海量數(shù)據(jù)存儲和分析的需求越來越強烈，“云計算”等相應(yīng)誕生，但這需要消耗大量的計算機資源。美國Bell實驗室的Grover博士提出，如果有量子計算機進行海量的數(shù)據(jù)搜索和分析，將可以用1臺量子計算機在4分鐘時間內(nèi)輕而易舉地完成普通計算機大約1000年才能完成的任務(wù)。到時，人類該以何種時間單位來紀元呢?