揭開量子計(jì)算機(jī)的神秘面紗

李青

如果我們在谷歌的搜索框輸入“computer”，0.58秒就能得到30多億個(gè)相關(guān)的搜索結(jié)果，這個(gè)速度夠快吧！過去50多年里，半導(dǎo)體技術(shù)得到了長足發(fā)展，嵌在芯片上的晶體管越來越小、越來越多，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也越來越快。然而，芯片上晶體管和其他組件之間的距離不能無限縮小，否則會(huì)發(fā)生異常，所以，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能終將達(dá)到某個(gè)極限。如果我們還想造出更快的計(jì)算機(jī)，該怎么辦？20世紀(jì)80年代著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼等人提出了“量子計(jì)算機(jī)”理論，直到近十年來，加拿大、中國、美國和澳大利亞在這方面的研究才有了新的突破。

什么是量子計(jì)算機(jī)？顧名思義，就是按照量子力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)并處理量子信息的計(jì)算機(jī)。我們平時(shí)使用的計(jì)算機(jī)，它的關(guān)鍵組件是晶體管，處理信息的單元是比特，它在同一時(shí)間只能表示1或者0。而量子計(jì)算機(jī)的信息處理單元是量子位，它可以同時(shí)表示1和0，于是，兩個(gè)量子位可以同時(shí)代表4個(gè)數(shù)，三個(gè)量子位能代表8個(gè)數(shù)，依此類推，所以，一次運(yùn)算可以處理多種不同的情況，從而大幅度提高運(yùn)算速度。量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)也不同于我們使用的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，不能簡單地把晶體管和二極管搭起來了事，而是必須采用新技術(shù)讓量子位以0和1的特殊疊加狀態(tài)而存在，因此，我們目前仍然在探索更好的解決方法。

另外，只有量子計(jì)算機(jī)還不行，更重要的是還必須有能在它上面運(yùn)行的各種程序。就好比個(gè)人電腦，如果沒有簡單易用的電腦操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，那電腦也無法普及應(yīng)用到千家萬戶。

到目前為止，量子計(jì)算機(jī)仍然處于研發(fā)階段。不過IBM預(yù)言，五年之內(nèi)量子計(jì)算機(jī)的影響范圍將超出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入主流。他們最近使用量子計(jì)算機(jī)成功模擬了氫化鈹（BeH2）中的原子鍵合，這是通過量子計(jì)算機(jī)模擬出來的最復(fù)雜的分子。未來，量子計(jì)算機(jī)將能幫助我們解決更為復(fù)雜的問題，比如尋找特殊的新材料、攻克醫(yī)學(xué)難關(guān)、數(shù)據(jù)加密、準(zhǔn)確預(yù)測地球氣候的變化趨勢等，它將最終趕上并超越我們使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的成就，解決人類還沒有碰到或無法解決的難題。