畅想二十一世纪（１８）　量子计算机：“掷骰子”决胜负

【美国《商业周刊》８月２３—３０日一期文章】题：２１世纪的２１种设
想——量子计算机：最难的问题将通过掷骰子来解决
糟糕的高尔夫球
电子会成为糟糕的高尔夫球。它们太不安分了。当普通的高尔夫球滚过球场
草地并停下时，它要么进洞，要么不进洞。而电子在同一时间可以处在许多位置
——洞里、洞边或是场地边缘。与所有的亚原子粒子一样，电子倾向于使自己处
于一种朦胧的概率“疑云”中。要想知道电子在每一时刻所处的位置是不可能的
。利用量子力学，我们可以计算出某颗电子处在某一给定点的概率，但是在受到
外力作用之前，电子不会停留在一个位置。这种偶然与粗略的胡乱混合会严重破
坏一场高尔夫球比赛。然而物理学家和计算机科学家正在认识到，他们可以利用
这一原理解决长期以来被认为是无法解决的问题。由此得到的量子计算机——它
们可能在１５到２０年后出现——将加速发现新药的过程，使预报人员准确预报
天气，并且能帮助芯片制造商设计出目前看来是不可能的复杂电路（不幸的是，
它们也会使黑客能够破译因特网加密通信的编码）。
今天的计算机仍然像它们的祖先——１９４５年的ＥＮＩＡＣ——那样解决
问题。它们按照指令一步一步地工作。它们不辞辛劳，唯命是从，把人们从单调
乏味的数学计算中解放出来，为通信、娱乐和科学研究带来了变革。这些变革是
ＥＮＩＡＣ的发明者做梦也没有想到的。
但是，它们的顺从恰恰也是它们的缺憾所在。许多重要的问题依靠循规蹈矩
是无法解决的。例如，要想在一本不按字母顺序排列的电话号码簿上找到一个名
字，普通计算机需要逐一核对每一个列表，看看是否对得上号。对于规模足够庞
大的“电话簿”——例如人类基因所有可能组合的数据库，即便是使用速度最快
的计算机，这样的反复试验过程可能也要花上几个世纪。这是因为任何普通计算
机都必须用一系列的开关——每一个开关或开或关，分别代表１和０——来代表
每一个列表。
概率游戏
而在另一方面，量子计算机可以利用量子“高尔夫球”来代替开关，在同一
时间核对所有的列表。其原理是怎样的呢？我们可以把在洞里的球称为１，把洞
外的球称为０。由于量子粒子具有同一时间处在任何位置的特性，我们没有必要
把每个球确定为１或０。相反，我们可以给它指定一组概率：例如，它在洞里的
概率是５０％，在洞外的概率也是５０％。利用足够数目的这些洞里和洞外概率
各占一半的量子球，我们可以在同一时间里表示电话簿上的所有名字。
这便是量子计算机的输入——１０亿个以上的名字，每个名字由相同的概率
来表示。计算机的程序对这一概率“疑云”作出改变和调整，在同一时间里针对
所需查找的名字核查所有列出的名字。量子程序员的工作是操纵几率，即将骰子
放置在一个能够很快得到正确答案的位置上。
ＩＢＭ公司量子计算技术研究活动负责人纳比尔·埃默预言说，这种亚原子
的赌博将为复杂的模拟任务带来巨大的好处。他说，工程师和药物设计人员将能
“关掉实验室，坐到计算机面前”。设想有一个包含了所有已知化学反应原理的
数据库。量子计算机可以在一瞬间通过搜索该数据库发现符合任何所希望的药物
特性的分子。
从终点往回走
不过，真的要制作这样一个骰子却是一个巨大的难题。世界各地正在出现各
种截然不同的设计。到目前为止，最成功的设计出现在ＩＢＭ公司阿尔马登研究
中心研究人员伊萨克·张的实验室里。一个充满了包含数百万个丙胺酸分子的黄
色液体的铅笔状玻璃管放置在一台核磁共振机中。每一个分子就是一台微型的量
子计算机，分子内的三个碳原子起到存储器的作用。在进行计算时，张利用一系
列核磁共振脉冲改变原子的概率。十分之一秒之后，一个最后的脉冲迫使这些原
子确定它们的位置，并得出答案。
张喜欢开玩笑说他拥有世界上能够工作的最大的量子计算机，但他也坦然承
认这台机器离实用还差得很远。由于每个分子只有三个可操纵的原子，因此它只
能搜索包括８个名字的电话簿。要想搜索规模更大的清单，需要使用更大的分子
。
朗讯公司贝尔实验室和密歇根州立大学的研究人员提出用不同的办法来解决
这个问题。他们相信他们能够让任何数目的电子漂浮在一层液氦上，然后利用一
系列精心安排的微波操纵电子进行计算。
不管我们是否想要量子计算机，我们都会发现我们需要它们。随着普通计算
机电路持续缩小，它们最终将达到量子机械的尺寸，它们的所作所为也将发生根
本变化。计算机业的许多人认为这一尺寸极限——可望在２０１２年左右的某个
时候达到——是一个障碍，但是张却称之为一个可望而不可即的量子力学“金饭
碗”。他若有所思地说：“我们正在从终点着手，然后往回走向文明。”你不可
能比这更“量子”了。