量子魅影

　　当我们还在感叹一个小小的芯片可以集成超过数亿个晶体管，去年我们还认为Intel研制出的3D晶体管是“晶体管历史上最伟大的发明”的时候，量子计算机（Quantum Computer）便以更加惊艳的方式成为焦点。

　　在3月初举行的美国物理学会年会上，以马赛厄斯·斯特芬博士为首的IBM团队展示了他们在量子计算机方面的最新研究成果：3D超导量子比特（qubit）装置及包含3个量子比特的硅晶片。中国科学技术大学从事半导体量子芯片研究的郭国平教授认为，上述设备非常类似于我们现在广泛使用的电脑芯片，采用传统的微电子加工技术，在超导的金属铝材料上即可制备出进行量子信息处理的芯片。

　　与此同时，IBM发布的三项新纪录震动整个了物理界，他们做到了减少基本运算误差、保持量子比特中量子机械特性的完整性，以及将量子的相干时间（即系统一直进行量子信息处理而不发生错误的时间）延长了2个数量级。“这一次，他们采用了一种新的三维结构，就像用一个盒子把芯片包裹起来以避免外界的干扰，使得量子相干时间延长到100微秒，这样每进行10000次（以前是100次）操作才出错，因此他们的芯片可以进行很多次的量子计算，性能比以前更为强大”，郭教授解释。

　　这100微秒，对你我来说只是一瞬，但对于量子计算来说，却可以同时处理百万项任务。传统的计算机将信息识别为“0”或“1”两种状态的二进制数据，就像灯泡一样，非开即关；而量子计算则如同“薛定谔的猫”，它可以同时处理数据“1”和“0”，这就意味着两个量子比特可以表示4个赋值，三个量子比特则可以表示8个，以此类推。不过更让人惊异的是，量子比特所呈现的这种特性，就好比一盏灯可以同时处于开和关两种状态一样，具有天然的并行计算能力。斯特芬博士说：“这就像我可以同时身处两个不同地方，但是这样的事情在现实世界中不可能发生。”

　　早在100年前，量子力学理论就开始不断冲击人们的既有认知。而一个多世纪过去了，量子鬼魅般行踪的魅力却让无数科学家为之倾倒。诺贝尔物理学奖获得者理查德·费恩曼于1982年引入量子计算的概念，至今已有越来越多的研究人员投身关于量子计算机的研发：2007年，D-Wave公司宣称他们制造出了世界第一台商用量子计算机（迄今为止只卖出了一台）；2010年，美国与澳大利亚科学家成功制造出在单晶硅表面构成一个量子点的晶体管；2011年初，牛津大学的科学家首次将100亿个量子比特植入高纯度的硅晶体中……目前，许多政府和军队也在出资支持进行量子计算机研究和开发的机构。

　　“正如芯片和计算机是目前信息时代的基础与关键技术，量子芯片及相应的量子计算机有望在15-20年后成为后摩尔时代核心的信息技术。量子计算机将带来新一轮信息技术革命和产业升级，它将满足未来信息社会对于海量数据处理和高性能的超级计算的强烈需求”，郭教授如是说。

　　那么，如果量子计算机成为现实，会带来怎样的改变？毋庸置疑，量子计算机的计算能力超过目前任何超级计算机，250个量子比特所包含的比特数甚至超过整个宇宙的原子数量。到时，计算机性能将呈指数倍增长；游戏迷们可以轻松地同时运行数千个《孤岛危机》（游戏）；科学家们可以更加准确地进行天气预报，甚至可以预测如地震、海啸等自然灾害；至于DNA序列的计算，则只需花上几分钟的时间（现在需要数日）。或许我们还可以建造一座像Matrix（《黑客帝国》）一样的虚拟世界，可以用拥有与人脑思考速度（每秒500万亿字节）一样快的设备实现读心，甚至心灵感应。不过随之而来的还有安全问题，因为量子计算可以使世界上最强大的加密算法瞬间土崩瓦解。1994年美国Bell实验室的PeterShor博士提出在量子计算机上实施大数质因子分解算法，将可以破解目前通行于银行及网络等处的RSA加密体系，这些需要1600个计算机工作站连续运行8个月时间破解的密码，量子计算机只需要1秒钟。

　　目前，人们对于海量数据存储和分析的需求越来越强烈，“云计算”等相应诞生，但这需要消耗大量的计算机资源。美国Bell实验室的Grover博士提出，如果有量子计算机进行海量的数据搜索和分析，将可以用1台量子计算机在4分钟时间内轻而易举地完成普通计算机大约1000年才能完成的任务。到时，人类该以何种时间单位来纪元呢？（文/邱月烨 图形/阿细）