将开创信息时代新纪元的量子电脑，本文主要内容关键词为：量子论文,新纪元论文,信息时代论文,电脑论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在当今电子计算机已广泛渗入各行各业的信息时代，电子计算机处理信息的速度，已是50年前电子计算机刚诞生时的10亿倍。为了达到这个速度，计算机中央处理器（CPU）硅芯片集成电路的布线间距， 已经缩小到了180nm。要达到更高速度，就必须将CPU芯片集成电路做得更加细微化。布线间距还要缩得更小。虽然目前国内外计算机专家都在力图通过三值/多值理论、生物光电磁效应与量子超态三条途径来提高计算速度，但都还处于理论阶段。如研究开展得最早的多值理论，它以三进位制或四进位制替代二进位制的办法来进行运算，可使运算速度呈几何级数增长。这从理论上来说是可行的，工作也颇见成效，但在技术上还未能取得突破，故尚难实现。因而CPU 硅芯片集成电路的下一个要冲刺的目标便是纳米级的台阶。然而，按照当今CPU 硅芯片的精密程度平均每18个月就要提高1倍的进展速度。到了2020 年芯片布线间距将达到单个分子的物理学极限。也就是说，再要靠以缩小CPU 布线间距尺寸的办法来提高计算机运算速度已无可能，于是目前传统的数字式电子计算机的发展就到了尽头。可是将来人类的社会生产、科研与日常生活对计算机信息处理的速度和能力，却永无止境地会提出更高的要求，需要寻求速度更快，功能更强的计算技术。这在宏观尺寸缩小已至极限的情况下，就必须另辟新径，迈上比纳米级台阶还要高得多的另一类崭新台阶，才会有“柳暗花明又一村”。为此，就要突破分子物理范畴进入更加微观的原子世界，开发借助原子具有双位双旋这“量子超态”的特性来实现信息处理的计算技术，以量子电脑来完成这一历史赋予的新使命。于是，近20年来量子电脑便一口气以超常速度跨越了史前、实验与工程实现这三个阶段，跑在了计算领域技术创新的最前头。
量子电脑的由来与前景
自从1900年12月法国物理学家普朗克创立量子论以来，爱因斯坦相对论、原子物理学、固体物理学、量子化学、原子能技术等等科学技术成就接踵而至，硕果累累，并形成了一套逻辑完整的量子力学理论体系。它深刻地揭示了微观世界和太空领域的规律。1976年，美国加利福尼亚科学研究所著名的量子物理学家费因曼发现原子在从外界通过辐射、磁场或其他形式获得能量进入激发态时，具有被称为“量子超态”的双位双旋特性，因而他大胆提出了量子计算机的构想：利用“量子超态”原子所具有的这种以普通物理学观点所不能理解和想象的，在同一时刻处于两个不同位置，又同时向左向右两个反方向旋转的量子特性，可在激光或磁场作用下使其瞬间定位，起到体现和贮存信息的作用，进而处理信息，实现计算功能。此后，美欧许多国家的物理学家和计算机专家经过20多年的潜心专研，终于在90年代初，将原子在隔绝辐射、电波等一切激发的条件下，冷却到接近绝对零度的稳定基态，让其自行进入“量子超态”，再用核磁共振的办法对其进行定位控制，实现了单个原子1比特量子计算机元件的研制。这是一个以处于“量子超态”的原子作为中央处理器和内存的计算机元件，其运算的速度要比目前的微硅晶体电路为计算元件的传统数字式电子计算机要快几亿倍。1998年和1999年世界著名大公司IBM的美籍华裔专家张艾莎又相继研制出2个原子和3 个原子的量子计算机元件。今年8月15 日张艾莎又在美国斯坦福大学向参加“热点芯片2000”（HOTCHIPS2000）计算机技术会议的各国专家演示了世界上最尖端的以5个原子为量子计算元件的5比特量子电脑，并初步验证了量子计算技术所具有的非凡计算能力，指出了量子电脑的巨大发展潜力及划时代的重大意义，预计在未来5～10年内，将诞生10 比特甚至几十比特的量子电脑，在二三十年后量子电脑将全面替代现有传统的数字式电脑。那时只须片刻就可查遍全世界所有网站，开创一个信息时代的新纪元。
量子电脑的原理与工作方式
大家知道，目前传统的数字式电脑是通过硅芯片上微型晶体管电位的“开”和“关”这两种状态来表示“1”和“0”这两个数字的。由“1”和“0”这两个基本数字可以组成一长串二进位制数字序列，通过对这一长串二进位制数字的逐个处理和贮存，来达到一次完整的复杂运算，而每一个硅微晶体管上的电位元只能贮存和处理非“1”即“0”一个数据，这就好比一个大单位餐厅只有一个供餐窗口，许许多多就餐者必须排成一条长蛇阵才能逐一得到用餐。这种建立在经典物理学基础上，遵循普通物理学电学原理的逻辑计算方式，只能靠以缩小芯片布线间距，加大其单位面积上的数据处理量来提高运算速度，因而必然会遇到宏观尺寸不可能到达分子间距的极限。而量子电脑的运算方式则是建立在微观量子物理学关于量子具有波粒两重性和双位双旋特性的基础上。突破了分子物理学的局限而进入了自由自在的“微观太空”，可以在这个没有拘羁的原子微观世界中任意翱翔。计算速度也可以轻易地提高到原来传统数字式电脑的几亿倍。
在上述已经研制成功的单个或几个原子的量子电脑中，这个作为计算元件的最小单位是一个原子，其信息贮存量的基本单位被称为一个“量子比特”。由于它在超低温下进入激发态时具有“量子超态”的波粒两重性与双位双旋特性，在同一时刻可以处于两个不同位置并具有两个不同旋转方向，因此它不仅可以同时表达两组“1”和“0”数字（信息），还可同时贮存和处理“0”和“1”之间无数中间状态（波动调和态）的数据（信息）。因此，量子比特所能够贮存的信息量比传统电脑1 比特所贮存的信息量要大得多，在理论上可以是无限的，当然在实际应用时还会受到技术水平等多种条件的限制。在实用中，随着量子比特数目的增多，许多量子位叠加在一起所组成的量子逻辑单元便可同时进行数学上类似行列式运算的幺正变换（矩阵变换）算法，冲破原来传统数字式电脑半导体逻辑单元只能进行单个计算的正交变换算法，从而实现大规模的“并行计算”。这样，与传统数字式电子计算机要排长队来一个一个地处理某个长串状的复杂数据相比，这种同时可以进行许许多多并行计算的方式，就像前述这个大餐厅中同时敞开了许许多多三维立体可以供餐且速度还要快得无可比拟的窗口，就餐者无须排队就可随到随取，当即用餐，从而显现出超高速运算的非凡能力。
量子电脑的研制现状
要量子电脑能够如期地完成计算使命，必须克服两大难题：一是量子比特处于激发时的双位双旋状态极不稳定，为时短暂，极易回复到原本稳定的基态，也即此时量子超态的双位双旋特性就不再存在；二是量子比特本身的不可克隆性（不转移性），也即不可能复制出完全相同的两个量子比特。对前一个难题，目前已经克服，找到了稳定激发态的途径；对后一个难题，目前也己在不违背量子比特不可克隆的规律下探索出了能够准确、快速提取与处理信息的方法。大体上说，国际上最有实力的IBM公司已做出了以核磁共振操控的5比特的量子比特系统，我国也已研制出了以核磁共振操控的4比特的量子比特系统。因此，在通往量子电脑的道路上，可以说已无原则性阻碍。
然而，量子电脑的原理和硬件毕竟与传统的电子计算机有着天差地别，当今对量子比特的研究也尚处于原始状态，许多研制工作都要重新起头，有很多诸如怎样简易实现接近绝对零度的低温条件、怎样屏蔽辐射与磁场等一切激发干扰、怎样使其在不需太低的温度下就可进入量子超态进行工作等等直接影响到制造成本、运行费用及便捷操控的一系列问题需要逐个解决，要取代现今已经广泛使用的所有传统数字式电子计算机，则还有一段更长的路要走。
量子电脑对未来的影响
当量子电脑在二三十年后基本取代现有传统的数字式电脑之时，具有几十比特的量子电脑已可问世，超高速的数据处理能力将使整个世界发生翻天复地甚至难以想象的巨大变化。
首先，在上网查询有关数据时，不仅不会遇到现今速度慢的困惑。而且即使查遍全球所有网站和在所有电话号码数据库中准确查出所要号码也只需要十多分钟，这将会使社会产业、科研和家庭生活翻开历史崭新一页。
其次，如果用于密码的解密，要破解人类和所有动植物极其繁杂的基因密码，建立个人和全生物的基因档案，也将成为一件轻而易举的事。这就能为人类治病、保健、优生和生物物种保护、多样化及创造性状优良的作物、禽畜、鱼虾新品种等等工作提供指导和捷径。那时如果要破译当今最难解、最繁琐的密码，在计算机领域中以400 位巨大数字质因数分解的极其困难作为防护手段的RSA 公开密钥系统（简称公钥系统），用一台40比特的量子电脑只要不到一年的功夫就可完成当今最快的巨型计算机需要10亿年才能完成的公钥系统解密工作量。
此外，在气象预报、地震、蝗虫与洪水等自然灾害预报、计算机辅助设计与制造、柔性加工系统、机电一体化及虚拟技术等许多领域也可以很快捷而准确地完成以往要很长时间才能完成，或即使做到了却早已时过境迁，已无现实意义，甚至花了比人类进化历史300 万年还要长的时间都做不到的事。从而，真正跨入前所未有的信息时代新纪元。