未來最高級的計(jì)算工具：量子計(jì)算機(jī)

文│高 峰

未來最高級的計(jì)算工具：量子計(jì)算機(jī)

文│高 峰

>>全球第一臺商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)性能的改進(jìn)始終趕不上人類不斷增長的信息處理需求。當(dāng)今人類社會進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展向計(jì)算機(jī)提出了幾乎是無止境的需求，而且隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及因特網(wǎng)的普及更刺激了這個(gè)需求。我們知道，1950年在計(jì)算機(jī)普及之前，世界范圍內(nèi)信息量的增長速度是每150年翻一番；隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，1950-1960年信息量的增長達(dá)到每10年翻一番；1960-1992年縮短為每5年翻一番。人們預(yù)計(jì)，2020年以后信息量每73天就要翻一番。這說明，計(jì)算機(jī)性能的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人類社會信息量的增長所提出的需求，目前計(jì)算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)的能力還非常薄弱。因此，研制更高性能的計(jì)算機(jī)始終是信息領(lǐng)域的重要課題。

如果一只老鼠準(zhǔn)備繞過一只貓，按照經(jīng)典物理理論，它要么從左邊要么從右邊穿過。而按量子理論，它可以同時(shí)從貓的左邊和右邊穿過。量子這種常人難以理解的特性使得具有5000個(gè)量子位（比特）的量子計(jì)算機(jī)，可以在大約30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)要100億年才能解決的大多數(shù)因子分解問題。因而，量子計(jì)算機(jī)被視作最有希望替代目前通用的硅芯片計(jì)算機(jī)的未來之星。

當(dāng)你在家里打開輕巧的筆記本電腦，啟動每秒能夠做20億次運(yùn)算的奔騰ⅣCPU的時(shí)候，可曾想到就在不到70年前人類歷史上第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC，每秒只能完成5000次運(yùn)算，而且它還重達(dá)30噸，占地近百平方米，使用了18000個(gè)真空電子管以及總長800千米的電線！

如今，我們已經(jīng)習(xí)慣了每隔1年半，計(jì)算機(jī)性能就翻一番的令人眩暈的現(xiàn)實(shí)。不過，如果說你手上使用的筆記本電腦的結(jié)構(gòu)，跟那臺超龐大的ENIAC一樣，那是否會出乎你的意外呢？

是的，70多年過去了，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)本身并沒有發(fā)生什么變化，無論是ENIAC還是你的P4電腦，都只是按部就班地處理一串由0和1組成的符號串，其中0和1分別用某種物理量的兩種不同狀態(tài)來表示，當(dāng)然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)還能夠做更多的事，比如，把輸出的0和1轉(zhuǎn)換為生動眩目的顯示器圖像。所以計(jì)算機(jī)70年來的進(jìn)步，就只是以印刷在硅晶片上面的微米級半導(dǎo)體電極代替10厘米長的真空電子管而已。

那么，未來的70年呢？計(jì)算機(jī)還會得到如此迅猛的發(fā)展嗎？回答是肯定的?？茖W(xué)家們靈機(jī)一動，巧妙地利用量子物理系統(tǒng)有別于經(jīng)典系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)——除了能夠表達(dá)0和1兩種狀態(tài)之外，還能夠同時(shí)表達(dá)0或者1，只是表達(dá)0具有一定的概率，而表達(dá)1則具有相應(yīng)的概率，這兩個(gè)概率和為1。量子計(jì)算機(jī)的概念宣告計(jì)算機(jī)的發(fā)展將徹底地告別過去70年一脈相承的結(jié)構(gòu)，進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

量子計(jì)算是近年來國際上新興的前沿學(xué)科。量子是一種“十分玄妙”的東西。目前量子計(jì)算以及相關(guān)的量子通訊和量子信息領(lǐng)域正在飛速發(fā)展，因此這個(gè)領(lǐng)域也正在吸引越來越多的參與者。隨著主要的障礙已經(jīng)或正在被克服，似乎可以樂觀地估計(jì)，在不久的將來，量子計(jì)算機(jī)會突然出現(xiàn)在雜志插頁廣告當(dāng)中，然后我們會突然發(fā)覺自己現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)都已經(jīng)扔在閣樓的雜物堆里好長時(shí)間了，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候已然是量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代了。

縱觀其發(fā)展過程，量子計(jì)算機(jī)研究中最突出的特點(diǎn)是物理學(xué)的原理和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交融和相互促進(jìn)。計(jì)算機(jī)不再是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型，物理原理對計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和效率的限制愈來愈引起人們的重視。現(xiàn)在，量子糾錯(cuò)理論成為研究中最熱門的課題。21世紀(jì)的量子計(jì)算機(jī)將會有燦爛的應(yīng)用前景，使信息社會面貌一新。