“量子脑”超越“电子脑”

计算机技术的发展，除了清晰可见的主流大潮外，还有很多不为人注意的支流。它一方面更贴近生活，泽被更多的人；另一方面也在挑战自己的极限，在新的构架中摸索上升。人性的关怀与不止的追求——科技之美由此凸现
【英国《新科学家》周刊6月8日一期文章】题：量子超级计算机（作者　贾斯廷·马林斯）　
在这场量子越野障碍赛马中，选手们正在竞争财富以外的大奖———能够轻松地模拟宇宙最复杂、最神秘内容的强大计算机，相形之下今天的计算机就像是年老体弱的老马。
很多选手已经引起了广泛注意。但是，这场比赛可能会特别艰难：障栏令人望而生畏，距离如此遥远，水沟障碍如此宽阔，以致无人能够到达终点。
超越已知科学极限，发展技术，总是要冒风险的。谁也不能肯定会出现什么意想不到的复杂情况，或是哪些物理定律将阻挠你前进。量子物理学家要越过好几个危险的障碍才能建成量子计算机，他们的梦想也有可能突然变成一场噩梦。
计算机以新法则思考
量子计算机为何具有如此之大的魔力？关键在于它的超级运算能力和全新设计理念。
当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子法则时，它就是量子计算机。它在工作时应用了量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性，因此，量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机难以解决的问题，而是使计算的概念焕然一新。比如根据量子平行的规律，它在计算时可以同时对每一个分量进行变换，这些变换能同时完成，并按一定的概率叠加起来给出结果。再加上量子运算时改变状态非常快（远远快于现在最强大的CPU），这都使得量子计算机的计算效率得到惊人的提高，而且存储容量也大大增加。与之相比，今天的超级计算机就像是便携式计算器。量子计算机可以破译最复杂的密码，解决一度被视为无法解决的问题，并且能够进行更强大的量子仿真。
量子物理学家说，这仅仅是开始。维也纳大学量子物理学家安东·蔡林格说：“只要对比一下普通计算机在过去和今天的情况就会明白——谁也想不到技术发展如此之快！这就是全世界的物理学家都在神经紧张的政府、急于加强实力的军事组织以及迫不及待攫取利润的公司支持下竞相建造量子计算机的原因。”
寻找最佳量子
但是，建造量子计算机是一项艰巨的任务。用于储存信息的量子状态极易受到破坏。这意味着用普通方法去控制运算过程和测量结果是不可靠的，还必须设计行之有效的量子算法和工作流程。
很多研究人员认为，操作单个离子和原子的技术太笨拙，因此永远也无法按比例装配依靠数百个昆比特位（昆比特英文为qubit,是量子计算机系统中用以代替二进制数字位的单位，跟电子计算机中的比特类似）运行的大型量子计算机。他们认为必须有相当于计算芯片的量子芯片才行。1998年，IBM的物理学家们最早提出了研制量子计算机的建议。
好几家机构试图通过超导现象来构建量子计算机，但进展甚微。目前最先进的固态办法是马里兰大学的布鲁斯·卡恩提出的NMR（核磁共振）芯片。这项技术可以单独控制原子的信息存储，进而让相邻原子互相感应，构建双信息块运行模式。
今年3月，澳大利亚新南威尔士大学的量子计算机技术研究中心宣布，他们已经制成简单的芯片。不过，他们至今未能解读储存在芯片中的量子信息，因此也就无法解释芯片的效果是否与预期相符。
目前看来，离子和原子等都似乎不可能立即达到目的。但是，物理学家认为仍然有一种量子粒子比较合适，即光子。光子的能量非常大：在适当的条件下，光子与其它粒子不轻易互相作用，特别是光子之间不会发生相互作用。如果有了这种保护，量子计算岂不就有理想的可用粒子了吗？事实并非如此。光子之间不存在相互作用，这意味着在通常情况下，双信息块运行几乎是不可能的。
“不可测”前景的困扰
参与量子计算机竞赛的还有很多不合格的选手。可是，乐观是有理由的。牛津大学量子物理学家阿特·埃克特说：“物理学家认为能够建成量子计算机，因为物理定律说明这是可行的。”因此，在理论上问题是可以解决的。
至少，现在的物理定律是这样认为的。但埃克特认为，建造量子计算机的竞争也许能够揭示一些以前不曾被发现的定律。物理学家为此进行了各种尝试。如果真的有人建成了量子计算机，他们将表示深深的敬意；如果有人证明量子计算是不可能的，那么这场竞赛将悄悄地自行取消，而物理学家仍将庆祝他们对宇宙的新发现。
但是，第三种结果是什么？如果事实证明这场竞赛非常困难，永远看不到终点，那怎么办？果真如此的话，选手们将继续冲向黑暗的未知领域，直到一个接一个地全部倒下。

图为“试管里的计算机”。IBM的科学家通过施加高频脉冲，使一种含7个原子核的新分子成为可编程单元。然后将数以亿计的这种分子放在试管里进行7个昆比特位的运算，成功实现了简单因数分解。