撬動信息世界的杠桿

摘 要：計算機的發(fā)明是人類歷史上一座重要的里程碑，其出現(xiàn)標(biāo)志著人類正式進入信息世界。工業(yè)自動控制、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、量子通信、大規(guī)?；蚣夹g(shù)等都是計算機應(yīng)用的產(chǎn)物，對人類社會造成了深遠的影響?；诖?，本文首先介紹傳統(tǒng)的電子計算機，指出目前電子計算機發(fā)展遇到的瓶頸，并由此引出量子計算機。然后介紹量子世界“反?！庇诤暧^世界的三大基本特點，說明了量子計算機的工作原理，總結(jié)了量子計算機強于傳統(tǒng)電子計算機的三大優(yōu)勢。最后，指出人類社會發(fā)展對于更大更強“計算”能力的追求將永不停歇。

關(guān)鍵詞：不確定性原理；量子疊加；量子坍縮；信息安全；量子計算機

中圖分類號：TP3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0024-04

The Lever That Leverages the Information World - From

Electronic Computer to Quantum Computer

ZHENG Lijin1 ZHANG Yiqi2

（1.Wuhan No.6 High School， Wuhan Hubei 430000；2. Wuhan Hantie Senior Middle School，Wuhan Hubei 430072）

Abstract： The invention of the computer is an important milestone in the history of mankind， and its emergence marks that the human society has entered the information age. Industrial automatic control， Internet， artificial intelligence， quantum communication and large-scale gene technology are all products of computer applications， which have a profound impact on human society. Based on this， in this paper ，we firstily introduced the traditional electronic computer， pointed out the bottlenecks encountered in the development of the electronic computer， and led to the quantum computer. Next， we introduced three basic characteristics that are \"abnormal\" in quantum world than in real world. We then illustrated the working principles of a quantum computer， and also summarized three major advantages of a quantum computer over a traditional computer. Finally， we pointed out that the pursuit of greater and stronger \"computing power\" in human society would never cease.

Keywords： uncertainty principle；quantum superposition；quantum collapse；information security；quantum computer

愛因斯坦偉大的質(zhì)能公式[E=mc2]告訴我們，能量和質(zhì)量是等價的[1]。正是因為這種等價關(guān)系，人類在現(xiàn)實世界中，不斷追尋著更為強大的能量來源，以達到對物質(zhì)世界隨心所欲自由改造的目的。因此，在“物質(zhì)世界”中，“能量”是物質(zhì)扮演“上帝”角色的關(guān)鍵。在“信息世界”，就是“計算”對信息扮演“上帝”角色的關(guān)鍵。通俗地說，“計算”就是對信息感知、獲取、存儲、傳輸、加工和應(yīng)用的整個流程。在現(xiàn)代社會，“計算”已經(jīng)深入到了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。我們還真無法想象離開了“計算”社會將會變成什么樣。以工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施為例，現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施離不開以“計算”為核心的自動化工業(yè)控制系統(tǒng)。如果沒有“計算”，也就沒有工業(yè)控制系統(tǒng)，那么我們將無法享受電力和供水、無法上網(wǎng)、無法通信、無法使用公共交通，整個社會將出現(xiàn)大幅度的倒退。因此，更高、更快、更強的“計算能力”就成為人類苦苦追尋的目標(biāo)。

1 電子計算機

第一臺全自動的用以“計算”的機器要追溯到1946年。1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）[2]。ENIAC使用了18 800個電子管，1 500個繼電器，占地170m2，重達30多t，造價48萬美元，耗電150kW，一開機整個小鎮(zhèn)都得停電。其每秒只能完成5 000次加法運算，400次乘法運算，計算能力還比不上現(xiàn)代的一個小小的掌上計算器。ENIAC也需要人類的精心照顧。有時候，一些硬殼蟲、蛾子之類的小蟲子（bug）偷偷鉆到了ENIAC的體內(nèi)，就會影響繼電器、電子管的正常工作，讓ENIAC“得病”罷工。這時，工程師就要扮演醫(yī)生的角色，給ENIAC“看病”、除蟲（de-bug）。所以，現(xiàn)在編程領(lǐng)域還保留著對程序debug的說法，意思就是給程序“捉蟲”“除錯”。

ENIAC作為現(xiàn)代電子計算機的老祖宗，其誕生標(biāo)志著人類進入了信息時代。但是，另一方面，ENIAC還是太慢。于是，人類想給ENIAC配上“法拉利”“奔馳”，讓ENIAC跑得更好更快。為此，從20世紀(jì)50年代中期晶體管出現(xiàn)開始，電子計算機逐步從ENIAC的電子管計算機過渡到晶體管計算機、中小規(guī)模集成電路計算機、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機。本質(zhì)上，計算機的計算能力是由晶體管所構(gòu)成的計算邏輯部件（科學(xué)家稱之為“邏輯門”）實現(xiàn)的，因此，如果能夠在同一面積上部署更多的晶體管，也就意味著在同一面積上具備更高的計算能力，而計算機的運行速度也就更快?，F(xiàn)如今，人類利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，已經(jīng)可以在大拇指指甲蓋大小的硅晶圓（純度為99.999%的硅，生產(chǎn)集成電路的載體）上，用幾千米長的銅線連接數(shù)十億甚至數(shù)百億個晶體管制成芯片，從而極大地提高計算機的運行速度，降低計算機的功耗[3]。如果沒有超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將龐大的ENIAC做成我們現(xiàn)代生活中的筆記本電腦、平板電腦和智能手機等，是完全不可想象的。

2 量子計算機

2.1 基本原理

晶體管越多，計算機的運算速度就越快。因此，在同一面積上部署的晶體管肯定越多越好，對應(yīng)地，晶體管肯定越小越好。這就帶來一個問題：晶體管是不是可以無限地小下去呢？答案是否定的。目前，世界上最先進的是IBM公司于2017年6月5日宣布的5nm技術(shù)（1nm=10-9m）[4]?；?nm技術(shù)，IBM公司可以在指甲蓋大小的面積上集成300億個晶體管。但是，科學(xué)家也指出，1～7nm，可能已經(jīng)到達了電子計算機制造技術(shù)的物理極限。過不了多久，我們將無法制造更小的晶體管了。這是因為，繼續(xù)往“小”走，當(dāng)單個晶體管縮小到只能容納一個或幾個電子時，就會出現(xiàn)單電子晶體管（量子點），此時量子力學(xué)規(guī)律將會占據(jù)主導(dǎo)地位。

為什么當(dāng)?shù)竭_單電子晶體管層面時，就必須使用量子力學(xué)規(guī)律呢？簡單來說，到目前為止，物理學(xué)的適用規(guī)律是和空間尺度相關(guān)的。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的尺度，可以用經(jīng)典物理規(guī)律，如牛頓力學(xué)等來表述。但是，當(dāng)尺度放大到極大，如研究宇宙時，以光一年走的距離為單位，這時就需要采用相對論；反之，當(dāng)尺度縮小到極小，如研究原子核、基本粒子時，就需要采用量子力學(xué)。通常，原子半徑的數(shù)量級是0.1nm，因此，當(dāng)晶體管制造工藝達到1～5nm時，一個晶體管比一個原子也大不了多少，此時基于經(jīng)典物理規(guī)律制造的計算邏輯部件（邏輯門）就不能再正常工作，而必須采用量子力學(xué)作為理論基礎(chǔ)來制造計算機，這就是量子計算機。

不同于我們?nèi)粘Ｉ畹氖澜?，量子世界就像一個小姑娘一樣，有其自己的特點。

2.1.1 首先，量子世界是“不確定”的[5]。經(jīng)典物理認為，世界是“確定”的，即只要給出必要的參數(shù)，就一定可以“確定地”計算出結(jié)果。例如，從經(jīng)典物理的角度，我們曾認為電子是在固定的軌道上像衛(wèi)星一樣繞著原子核旋轉(zhuǎn)，基于牛頓力學(xué)我們能夠精確地計算電子的位置與動量。然而，海森堡在1927年提出的“不確定性原理”（又叫“測不準(zhǔn)原理”）告訴我們，在量子世界，粒子的位置和動量是不可能被同時確定的。位置的不確定性越小，動量的不確定性就越大，反之亦然。也就是說，電子位置偏差[Δx]與電子動量偏差[Δp]的乘積一定大于一個常數(shù)下限（即[Δx×Δp>?/2]，這里[?]是一個正常數(shù)）?；凇安淮_定性原理”，假設(shè)我們盡可能精確地測得了電子動量（[Δp]足夠小），那么電子的位置就會變得極其不確定，我們甚至可以認為電子可以出現(xiàn)在宇宙的任何一處（[Δx]足夠大）；反過來，如果我們盡可能精確地測得了電子的位置（[Δx]足夠?。敲措娮拥膭恿恳矔兊脴O其不確定（[Δp]足夠大）。

總之，略去復(fù)雜的數(shù)學(xué)表述，按照量子力學(xué)理論，首先，我們不能絕對地說亞原子粒子（如電子、光子、中子、質(zhì)子等）存在，而必須說：亞原子粒子顯示出一種其在特定空間和時間下存在的統(tǒng)計概率。這句話可能比較拗口，什么意思呢？還是以電子為例：量子力學(xué)認為，在特定的空間和時間下，電子就像孫悟空一樣，有無數(shù)個化身，在原子內(nèi)部的任何一處都可能出現(xiàn)，只是每個地方出現(xiàn)的統(tǒng)計概率不一樣，有的地方出現(xiàn)的概率高，有的地方出現(xiàn)的概率低。而這個概率，可以用量子力學(xué)中的“波函數(shù)”進行刻畫?！安ê瘮?shù)”就如同如來佛祖，任猴子怎么變也逃不出手掌心，能夠輕易計算出電子出現(xiàn)在這里的概率是20%，在那里出現(xiàn)的概率是33%等。當(dāng)然，各個位置出現(xiàn)的概率合起來一定是100%。

2.1.2 其次，量子態(tài)是一種疊加態(tài)[5]。假設(shè)電子計算機和量子計算機分別有一個存儲單元用來存儲數(shù)據(jù)0或者1。那么在某一個特定時刻，對于電子計算機而言，其存儲單元所存儲的數(shù)據(jù)只能是“確定”的，即要么是0，要么是1，沒有其他可能。然而，對于量子計算機而言，其存儲單元存儲的數(shù)據(jù)可以是“不確定”的：具體來說，就是量子計算機單個存儲單元所存儲的數(shù)據(jù)可以是0和1的疊加態(tài)，而并不必須像電子計算機那樣確定地存儲0或者1。例如，我們可以說一個量子存儲單元中的數(shù)據(jù)有20%的概率是0，80%的概率是1；或者是45%的概率是0，45%的概率是1等。總之，是一種0和1都有可能的疊加狀態(tài)，是“不確定”的。這和前面所講的“電子‘同時’出現(xiàn)在原子內(nèi)部的任何一處”是類似的，本質(zhì)上都是一種基于統(tǒng)計概率的疊加狀態(tài)。這雖然看起來很詭異，但科學(xué)家的研究表明，量子世界就是這么運作的。

2.1.3 最后，“觀察”導(dǎo)致波函數(shù)坍縮，從而從不確定變?yōu)榇_定。前面已經(jīng)說明，量子態(tài)是一種疊加態(tài)，那么，如果我們要計算0+1，能夠說“0+1有33%的概率等于0，67%的概率等于1”嗎？顯然這個說法是可笑的。經(jīng)典世界要的是確定的結(jié)果：在經(jīng)典世界，0+1就等于1，而不可能是包含疊加態(tài)在內(nèi)的其他任何狀態(tài)。這就要求量子計算機要從不確定變?yōu)榇_定，怎么辦呢？觀察。還記得前面講的“波函數(shù)”嗎？波函數(shù)對不確定性（概率）進行了刻畫；而只要人類一觀察，或者說測量，波函數(shù)就立即塌縮為一個具體的狀態(tài)，從而從不確定變?yōu)榇_定。

2.2 量子計算機的計算過程

假設(shè)我們要計算“0+1”，首先，量子計算機需要用兩個存儲單元[a]和[b]分別存儲被加數(shù)和加數(shù)。根據(jù)“疊加態(tài)”原理，被加數(shù)[a]和加數(shù)[b]兩者都處于0和1的疊加態(tài)。然后，將被加數(shù)[a]和加數(shù)[b]相加，由于[a]和[b]都是疊加態(tài)，我們就得到4種計算可能，分別是0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=2。既然我們需要計算0+1，那么只需要讓[a]高概率坍縮成0，[b]高概率坍縮成1，最終就可以得到0+1=1。

在這里又出現(xiàn)一個問題：既然計算“0+1”，那么就需要[a]坍縮成0，[b]坍縮成1。但是，由于疊加態(tài)（是根據(jù)波函數(shù)按照概率而）坍縮成0或者1，那么也許會得到我們不想要的結(jié)果。比如，[a]和[b]同時坍縮成0，此時我們計算的是0+0，而不是0+1。怎么辦？不過，這也沒關(guān)系：首先，在以“疊加態(tài)”存儲[a]和[b]時，我們可以控制[a]和[b]處于“疊加態(tài)”中不同狀態(tài)的概率。還是以計算0+1為例，我們需要對應(yīng)控制[a]“高概率”處于0，而[b]“高概率”處于1。其次，即使一次計算沒有得到想要的結(jié)果，我們只需要按上述同樣的流程再多計算幾次即可?！案吒怕省贝_保了我們可以快速得到我們想要的結(jié)果（需要指出的是，由于量子計算機的并行性極高，即使多計算了兩次，其總的計算效率也遠高于電子計算機）。

正是由于量子世界一些違反直覺的“詭異”特點，使得量子計算機與傳統(tǒng)電子計算機相比有著巨大優(yōu)勢。

2.2.1 首先，量子計算機的并行能力遠超電子計算機。假設(shè)我們制造了一臺有[n]個存儲單元的量子計算機，根據(jù)量子疊加態(tài)的原理，每一個存儲單元存儲的都是0和1的疊加態(tài)，因此，這[n]個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)共有2×2×…×2=2n個，量子計算機可以一次性對這2n個數(shù)據(jù)同時進行處理；而傳統(tǒng)的電子計算機是確定的，[n]個存儲單元的電子計算機每次能且只能存儲這2n個數(shù)據(jù)當(dāng)中確定的1個，要處理這2n個數(shù)據(jù)，就需要2n次操作。顯然，量子計算機的并行能力在這種情況下是傳統(tǒng)電子計算機的2n倍。這是個什么概念呢？這意味著一些電子計算機需要成千上萬年解出來的問題，量子計算機在幾分甚至幾秒鐘之內(nèi)就可以解出來。如果量子計算機獲得大規(guī)模應(yīng)用，將會在現(xiàn)實社會產(chǎn)生顛覆性的影響，比如：基于現(xiàn)在的密碼技術(shù)，用戶的銀行存款將不再安全，國家的軍事秘密將會被輕易破解等。

2.2.2 其次，量子計算機的能耗將會大大降低?，F(xiàn)代電子計算機耗能如此巨大，以至于谷歌這樣的巨頭公司不得不將服務(wù)器群建立在電站旁邊，并且建在湖底進行制冷。世界排名第一的“神威”超級計算機，一天的耗電量達到40萬kW·h。究其原因，是因為傳統(tǒng)的電子計算機有兩大發(fā)熱源頭：一是我們所熟知的電子元器件的運行發(fā)熱；二是操作信息時向環(huán)境放熱。第一點好理解，這里簡單說一下第二點。撇開復(fù)雜的理論不談，我們只需要知道根據(jù)1961年美國物理學(xué)家羅夫·蘭道爾（Rolf Landauer）提出并證明的蘭道爾原理，計算機在刪除信息的過程中會對環(huán)境釋放出極少的熱量。也就是說，即使電子計算機的電子元器件運行時不會散發(fā)任何熱量，只要在進行信息處理，這個過程本身就一定會放熱，這是由熱力學(xué)規(guī)律所決定的。反過來，我們考察了量子計算機的上述兩大發(fā)熱源頭。第一，前已提及，量子計算機的并行性遠超電子計算機，其一次可以完成比電子計算機多得多的操作。既然解決同樣的問題量子計算機需要的操作比電子計算機少得多，那么量子計算機的電子元器件發(fā)熱比電子計算機就要小得多。第二，量子計算是“可逆計算”，那么根據(jù)蘭道爾原理，量子計算機在信息處理過程中，一定不會向環(huán)境釋放任何熱量，而這是電子計算機做不到的（電子計算機是“不可逆計算”，因而刪除信息時一定會放熱）。綜上所述，量子計算機的能耗比傳統(tǒng)電子計算機大大降低，這對于構(gòu)建綠色社會做出了巨大貢獻。

2.2.3 最后，量子計算機之間的通信是不可竊聽的。傳統(tǒng)的電子計算機之間的通信是可以被竊聽的，即使采用了加密、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)手段，依然存在信息被竊聽的可能。傳統(tǒng)電子計算機加密通信的安全核心在于密鑰，理論上，只有一次一密（每加密一次，換用一次密鑰），密鑰的安全性才是最高的，但如何實現(xiàn)一次一密的密鑰傳輸，卻仍然是一個難題。但是，量子世界的奇妙性質(zhì)（量子不可克隆，量子不可分割等）保證了只要有人竊聽就一定會被發(fā)現(xiàn)，因此，基于量子技術(shù)，我們可以安全地實現(xiàn)一次一密的量子密鑰分發(fā)。既然攻擊者無法獲取密鑰，那么自然也就沒有辦法對通信信息進行解密竊聽。值得慶祝的是，實用性量子通信網(wǎng)絡(luò)的建立、“墨子號”衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志著我國在競爭激烈的量子通信領(lǐng)域走在了世界前列。

量子計算機還有一些其他的優(yōu)勢，限于篇幅，在這里就不一一介紹了。

3 結(jié)語

計算機的出現(xiàn)，是人類歷史上的一座里程碑，無論怎么形容都不為過?？茖W(xué)家們預(yù)測，隨著人工智能、基因技術(shù)、納米技術(shù)等科技的發(fā)展，人類文明將再次面臨巨大的提升。而所有這些科技，都對“計算”能力提出了更高的要求。隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們對更大更強“計算”能力的追求將永不停歇。當(dāng)前，電子計算機已經(jīng)逐步走向物理規(guī)律的極限，基于新的規(guī)律的計算機器，如量子計算機、生物計算機等，必將登上歷史舞臺。我們將親眼見證和參與這場偉大的變革。作為高中生，在這個偉大的歷史時刻，我們要以一日千里、只爭朝夕的精神，用知識武裝自己、壯大自己，投身到這場科技變革的洪流中去，投身到建設(shè)社會主義強國的洪流中去，投身到中華民族偉大復(fù)興的洪流中去。

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