主题：【科普知识】光 子 计 算 机 -- 不爱吱声

电 子 可 算 是 令 人 讨 厌 的 高 尔 夫 球 了 。 它 们 的 行 为 的 确 是 过 份 乖 僻 。 当 一 个 高 尔 夫 球 滚 过 草 地 停 下 来 的 时 候 ， 它 或 者 地 洞 里 或 者 不 在 洞 里 。 而 电 子 则 不 同 ， 在 某 一 时 刻 ， 它 在 很 多 地 方 ― ― 在 洞 里 、 在 洞 旁 边 以 及 在 草 地 的 边 缘 ， 都 有 可 能 出 现 。 和 所 有 微 观 粒 子 相 似 ， 一 个 电 子 的 行 为 处 于 一 种 朦 胧 的 “ 电 子 云 ” 中 。 你 不 可 能 每 时 每 刻 确 定 它 所 在 的 位 置 。 用 量 子 力 学 ， 我 们 能 算 出 电 子 呆 在 一 个 指 定 地 点 的 概 率 。 但 在 某 个 东 西 作 用 于 它 之 前 ， 电 子 不 会 呆 在 一 个 地 点 。 这 种 不 守 规 则 的 偶 然 与 不 精 确 相 结 合 将 破 坏 一 场 “ 高 尔 夫 球 赛 ” 。 但 物 理 学 家 和 计 算 机 科 学 家 正 在 发 现 他 们 能 利 用 电 子 的 量 子 特 性 来 破 解 那 些 长 期 以 来 认 为 不 能 解 决 的 问 题 。 由 此 产 生 的 性 能 卓 越 的 量 子 计 算 机 ― ― 可 能 在 大 约15-20 年 出 现 ― ― 将 加 速 发 现 新 药 、 使 气 象 预 报 人 员 准 确 地 报 告 天 气 、 帮 助 芯 片 厂 商 设 计 现 在 不 可 以 设 计 的 复 杂 电 路 （ 遗 憾 的 是 量 子 计 算 机 强 大 的 计 算 性 能 也 将 使 黑 客 能 破 译 现 有Internet 上 保 护 安 全 通 信 的 密 码 。 ）

今 天 的 计 算 机 仍 然 是 用ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator, 电 子 数 字 数 学 积 分 器 和 计 算 器) 计 算 机 在1945 年 用 的 周 样 方 法 解 决 问 题 。 它 一 步 步 地 执 行 指 令 。 它 的 忠 心 耿 耿 已 把 人 类 从 单 调 乏 味 的 数 学 计 算 机 中 解 放 出 来 ， 给 通 信 、 娱 乐 和 科 学 研 究 带 来 了 变 化 ， 这 是ENIAC 的 发 明 家 们 做 梦 也 没 想 到 的 。

但 它 们 的 尽 职 尽 责 也 就 是 它 们 的 无 所 作 为 ， 因 为 ， 很 多 重 要 的 问 题 都 不 能 靠 遵 循 规 则 来 有 效 地 解 决 。 例 如 ， 要 在 一 个 不 按 字 母 顺 序 排 列 的 电 话 簿 上 查 一 个 名 字 ， 一 台 普 通 计 算 机 必 须 每 次 查 一 个 在 册 姓 名 看 看 是 否 相 符 。 对 于 一 个 足 够 大 的 “ 电 话 簿 ” ― ― 比 如 说 人 类 基 因 的 全 部 可 能 组 合 的 数 据 库 ― ― 这 个 尝 试 的 过 程 ， 即 使 在 最 快 的 巨 型 机 上 也 要 用 几 个 世 纪 。 这 是 因 为 任 何 普 通 计 算 机 都 必 须 用 一 系 列 的 “0 ” 和 “1 ” 来 代 表 一 个 在 册 姓 名 。

相 反 ， 一 个 量 子 计 算 机 可 同 时 检 查 所 有 在 册 姓 名 ， 用 量 子 “ 高 尔 夫 球 ” 取 代 开 和 关 。 方 法 是 这 样 的 ： 如 果 一 个 球 在 洞 内 ， 让 我 们 把 它 叫 作1 ， 在 洞 外 叫 作0 。 利 用 量 子 粒 子 的 “ 到 处 都 可 能 出 现 ” 的 性 质 ， 我 们 不 需 要 把 每 个 球 叫 作1 或0 。 相 反 ， 我 们 可 以 给 它 指 定 个 概 率 ， 比 如 说 它 有50% 的 机 会 在 洞 里 ，50% 在 洞 外 。 当 这 些 概 率 对 半 的 量 子 球 足 够 多 时 ， 我 们 可 以 表 达 电 话 簿 里 所 有 的 姓 名 。

这 就 是 给 量 子 计 算 机 的 输 入 ― ―10 亿 或 更 多 的 名 字 ， 每 个 名 字 都 用 相 同 的 概 率 表 示 。 计 算 机 程 序 推 进 和 形 成 概 率 “ 云 ” ， 同 时 检 查 所 有 在 册 的 名 字 来 寻 找 要 找 的 名 字 。 量 子 计 算 编 程 人 员 的 任 务 是 控 制 胜 率 ， 从 迅 速 得 到 正 确 答 案 这 个 意 义 上 事 先 决 定 胜 败 。

IBM 的 量 子 计 算 计 划 经 理Nabil Amer 预 测 ， 这 种 亚 原 子 赌 博 给 复 杂 的 模 拟 任 务 带 来 巨 大 的 益 处 。 工 程 师 和 药 物 设 计 师 可 以 完 成 任 务 。 构 思 一 种 包 含 全 部 已 知 化 学 品 相 互 作 用 规 律 的 数 据 库 。 一 个 量 子 计 算 机 能 在 瞬 间 详 细 检 查 ， 以 找 到 各 种 适 应 所 需 药 物 特 性 的 分 子 。

然 而 ， 制 造 这 些 设 备 中 的 任 何 一 个 都 是 很 大 的 挑 战 。 而 且 在 世 界 上 正 在 出 现 迥 然 不 同 的 设 计 。 在 美 国 国 家 标 准 和 技 术 研 究 所 里 ， 科 学 家 们 用 激 光 的 瞬 时 脉 冲 照 射 在 接 近 绝 对 零 度 的 铍 原 子 上 来 进 行 量 子 计 算 。 在 两 面 镜 子 之 间 振 荡 的 光 子 与 加 州 技 术 研 究 所 试 验 中 的 “ 量 子 高 尔 夫 球 ” 起 同 样 的 作 用 。 而 在NEC 的 基 础 研 究 实 验 室 里 ， 则 把 一 块 很 小 的 超 导 体 附 到 普 通 的 硅 芯 片 上 产 生1-0 混 合 状 态 。

迄 今 ， 最 成 功 的 设 计 是 在IBM 的Almaden 研 究 中 心Isaac Chuang 的 实 验 室 里 完 成 的 。 一 只 充 满 几 百 万 丙 氨 酸 分 子 黄 色 液 体 的 铅 笔 大 小 的 玻 璃 管 放 在 核 磁 共 振 设 备 （ 一 种 小 于 医 院 常 见 的 核 磁 共 振 设 备 的 机 型 ） 中 。 每 个 丙 氨 酸 分 子 是 一 个 微 小 的 量 子 计 算 机 ， 它 的3 个 碳 原 子 起 着 工 作 存 储 器 的 作 用 。 计 算 时 ，Chuang 利 用 一 串 核 磁 共 振 脉 冲 进 行 敲 击 和 抖 动 以 改 变 原 子 的 概 率 。0 。1 秒 以 后 ， 最 后 一 个 脉 冲 迫 使 这 些 原 子 作 出 决 定 并 得 出 答 案 。

Chuang 喜 欢 开 玩 笑 说 他 拥 有 世 界 上 能 运 行 的 最 大 的 计 算 机 。 但 他 爽 快 地 承 认 他 的 机 器 还 远 不 具 备 实 用 的 能 力 。 由 于 每 个 分 子 只 有 三 个 可 操 纵 的 原 子 ， 它 能 检 索 只 有8 个 名 字 的 电 话 簿 。 要 检 索 一 个 更 大 的 名 录 ，Chuang 需 要 一 个 更 大 的 分 子 。

Chuang 公 司 贝 尔 实 验 室 和 密 执 安 大 学 的 研 究 人 员 建 议 用 不 同 的 方 法 解 决 这 个 问 题 。 他 们 相 信 能 使 任 意 数 量 的 电 子 漂 在 一 层 液 体 氦 上 ， 然 后 用 一 组 精 确 安 排 顺 序 的 微 波 来 完 成 他 们 的 计 算 。

不 论 我 们 是 否 想 要 量 子 计 算 机 ， 我 们 可 能 发 现 我 们 需 要 它 们 。 随 着 普 通 计 算 机 电 路 的 继 续 缩 小 ， 它 们 实 际 上 将 达 到 量 子 力 学 的 尺 度 ， 届 时 ， 它 们 的 特 性 将 彻 底 改 变 。 计 算 机 产 业 的 很 多 人 把 这 个 尺 寸 极 限 ― ― 预 计 在2012 年 左 右 达 到 ― ― 视 为 一 个 障 碍 ， 但Chuang 却 把 它 叫 做 可 望 而 不 可 及 的 量 子 力 学 金 奖 怀 。 他 若 有 所 思 地 说 ： “ 我 们 正 在 从 终 点 开 始 ， 返 回 身 来 走 向 文 明 。 ”