新型計(jì)算機(jī)中的“潛力股”

小芹

你覺得計(jì)算機(jī)會變得更小、更快和更聰明嗎？

可別忙著點(diǎn)頭——雖然幾十年來計(jì)算機(jī)一直飛速發(fā)展，但如今工程師們對此可不太樂觀。其實(shí)，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的潛能已經(jīng)被發(fā)掘得差不多了，還好“柳暗花明”——很多研究人員正嘗試運(yùn)用不同的科學(xué)原理來制造新一代計(jì)算機(jī)。下面咱們就來認(rèn)識幾種頗具潛力的計(jì)算機(jī)“新星”吧。

容量超大的量子計(jì)算機(jī)

2019年9月，美國率先宣布，量子計(jì)算機(jī)開發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。想必很多人聽到這個(gè)消息的反應(yīng)是：“量子計(jì)算機(jī)”“量子霸權(quán)”，到底是啥？

所謂量子計(jì)算機(jī)，就是運(yùn)用量子力學(xué)原理進(jìn)行工作的計(jì)算機(jī)。它與傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的最大區(qū)別在于，電子計(jì)算機(jī)存儲信息的單位是比特，而量子計(jì)算機(jī)存儲信息的單位則是量子比特。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算法則是二進(jìn)制，普通計(jì)算機(jī)的一個(gè)比特只能是0或1;而量子比特遵守量子世界的規(guī)則，一個(gè)量子比特可以同時(shí)既是0又是1，這就叫“量子疊加態(tài)”。以此類推，兩個(gè)量子比特就可以同時(shí)是00、01、10、11這4個(gè)值，也就是說兩個(gè)量子比特是兩個(gè)比特的信息容量的4倍?？偠灾?由于量子疊加態(tài)的存在，N個(gè)量子比特的信息存儲量就是同樣數(shù)目比特的2的N次方倍。

美國的量子計(jì)算機(jī)含有53個(gè)量子比特，那么它可以同時(shí)表示幾個(gè)值？你不妨動(dòng)筆算一下，答案是9 007 199 254 740 992個(gè)值，即53個(gè)量子比特的內(nèi)存是53個(gè)比特的9 007 199 254 740 992倍！巨大的信息容量意味著在處理復(fù)雜問題時(shí)能夠調(diào)用更多的計(jì)算資源，擁有更快的計(jì)算速度。

而量子霸權(quán)指的是，解決某一問題時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的速度碾壓了傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)。一臺量子計(jì)算機(jī)在200秒內(nèi)能完成如今最好的電子計(jì)算機(jī)花費(fèi)一萬年才能解決的計(jì)算題。不過，這個(gè)計(jì)算題是為了做實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)的，沒啥實(shí)用價(jià)值。這也說明了量子計(jì)算機(jī)要完成它的霸業(yè)，還要等上很長時(shí)間。

快且節(jié)能的光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)就是用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中的電子進(jìn)行運(yùn)算，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是快。

在電子計(jì)算機(jī)中，電子充當(dāng)運(yùn)輸數(shù)據(jù)的交通工具，而在光子計(jì)算機(jī)中，交通工具換成了光子。光子擁有宇宙間最快的速度——光速。如果把電子的速度比作牛車，那光子的速度就是F1賽車，而且光子這種運(yùn)輸工具不用考慮“堵車”的問題。在電子計(jì)算機(jī)中，傳輸電子的通道寬度有限，電子只能排著隊(duì)挨個(gè)通過，而光子不一樣，它們可以互不干擾地一起通過。這聽起來或許有點(diǎn)匪夷所思，其實(shí)很好理解，你可以想象一下，兩束光線在某一點(diǎn)相交會相撞嗎？顯然不能，它們可以穿過對方然后沿著各自的道路繼續(xù)前進(jìn)，光的這個(gè)特性可以幫我們大大提高信息傳輸速率。另外，光子計(jì)算機(jī)雖然做得多，但“吃”得少——它消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子計(jì)算機(jī)。

光子計(jì)算機(jī)雖然這么厲害，但它可沒有像量子計(jì)算機(jī)那樣“野心勃勃”，不但不稱霸，還非常想與電子計(jì)算機(jī)做“好朋友”。201 7年，英國一家公司基于光子計(jì)算發(fā)明了一種協(xié)處理器，這種協(xié)處理器就是發(fā)揮光子計(jì)算的優(yōu)勢來協(xié)助傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)提高工作效率。或許光子計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)真的可以達(dá)到雙贏呢。

可臥治病的DNA計(jì)算機(jī)

遺傳物質(zhì)DNA也能用來做計(jì)算機(jī)？

一個(gè)計(jì)算機(jī)要具備3個(gè)功能一一貯存信息、處理信息以及將處理結(jié)果進(jìn)行表達(dá)。DNA滿足了這3個(gè)條件，DNA本身就是用來貯存遺傳信息的物質(zhì)，并且可以在生物酶的作用下被剪切、重組與復(fù)制，這個(gè)過程可以當(dāng)作處理信息的過程。那么怎樣表達(dá)運(yùn)算結(jié)果呢？其實(shí)每個(gè)人都是DNA運(yùn)算的結(jié)果——我們長成什么樣都是由基因決定的。由此可見，DNA是制作計(jì)算機(jī)的理想材料。

最早的DNA計(jì)算發(fā)生在試管里。研究人員將生物酶放到含有DNA溶液的試管中，利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行運(yùn)算。但是DNA會在溶液中四處游動(dòng)，這會導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。為了解決這個(gè)問題，研究人員發(fā)明了DNA計(jì)算機(jī)，就是將DNA固定在玻璃片、金屬片及高分子生物薄膜的表面上，以提高計(jì)算的穩(wěn)定性。DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向是制造出可以批量生產(chǎn)的DNA計(jì)算芯片，這可以讓DNA計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向生活。

相比量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)，DNA計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以直接植入人體，因?yàn)镈NA本身就是生物大分子，與生物體有天然的親和力。利用DNA計(jì)算機(jī)，人可以隨時(shí)體檢，而且DNA計(jì)算機(jī)能根據(jù)檢測結(jié)果直接在體內(nèi)合成藥物來治病。

向人腦學(xué)習(xí)的類腦計(jì)算機(jī)

看了以上幾種新型計(jì)算機(jī)，你可能會感嘆計(jì)算機(jī)實(shí)在比人腦強(qiáng)太多了。但是，當(dāng)你羨慕計(jì)算機(jī)記得多、算得快時(shí)，計(jì)算機(jī)也希望向我們?nèi)四X學(xué)習(xí)一項(xiàng)獨(dú)特的技能——面對復(fù)雜環(huán)境時(shí)隨機(jī)應(yīng)變的能力，于是就有了類腦計(jì)算機(jī)。

類腦計(jì)算機(jī)就是可以像人腦那樣自主思考的計(jì)算機(jī)，其最大優(yōu)勢是可以根據(jù)不同環(huán)境自主靈活地處理問題。所以，類腦計(jì)算研究對人工智能的發(fā)展具有重大意義。

說起近期類腦計(jì)算的重大突破，要數(shù)清華大學(xué)的類腦計(jì)算芯片“天機(jī)芯”了。為了展示“天機(jī)芯”的性能，清華研究團(tuán)隊(duì)將“天機(jī)芯”安裝在一輛自行車上，結(jié)果這輛自行車就像活了一樣。在實(shí)驗(yàn)中，自行車可以根據(jù)人的口令做出反應(yīng)，可以追蹤前方的行人，還可以分析路況并自動(dòng)躲避障礙……總之，它成了一輛真正的“自行”車。

看了以上4種新型計(jì)算機(jī)，你覺得哪種最有潛力呢？