文│高 峰

未來最高級的計算工具：量子計算機

文│高 峰

>>全球第一臺商用實用型量子計算機

計算機性能的改進始終趕不上人類不斷增長的信息處理需求。當(dāng)今人類社會進步與經(jīng)濟發(fā)展向計算機提出了幾乎是無止境的需求，而且隨著計算機的出現(xiàn)，以及因特網(wǎng)的普及更刺激了這個需求。我們知道，1950年在計算機普及之前，世界范圍內(nèi)信息量的增長速度是每150年翻一番；隨著計算機的廣泛應(yīng)用，1950-1960年信息量的增長達到每10年翻一番；1960-1992年縮短為每5年翻一番。人們預(yù)計，2020年以后信息量每73天就要翻一番。這說明，計算機性能的提高遠遠滿足不了人類社會信息量的增長所提出的需求，目前計算機處理海量數(shù)據(jù)的能力還非常薄弱。因此，研制更高性能的計算機始終是信息領(lǐng)域的重要課題。

如果一只老鼠準備繞過一只貓，按照經(jīng)典物理理論，它要么從左邊要么從右邊穿過。而按量子理論，它可以同時從貓的左邊和右邊穿過。量子這種常人難以理解的特性使得具有5000個量子位（比特）的量子計算機，可以在大約30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級計算機要100億年才能解決的大多數(shù)因子分解問題。因而，量子計算機被視作最有希望替代目前通用的硅芯片計算機的未來之星。

當(dāng)你在家里打開輕巧的筆記本電腦，啟動每秒能夠做20億次運算的奔騰ⅣCPU的時候，可曾想到就在不到70年前人類歷史上第一臺電子計算機ENIAC，每秒只能完成5000次運算，而且它還重達30噸，占地近百平方米，使用了18000個真空電子管以及總長800千米的電線！

如今，我們已經(jīng)習(xí)慣了每隔1年半，計算機性能就翻一番的令人眩暈的現(xiàn)實。不過，如果說你手上使用的筆記本電腦的結(jié)構(gòu)，跟那臺超龐大的ENIAC一樣，那是否會出乎你的意外呢？

是的，70多年過去了，計算機的結(jié)構(gòu)本身并沒有發(fā)生什么變化，無論是ENIAC還是你的P4電腦，都只是按部就班地處理一串由0和1組成的符號串，其中0和1分別用某種物理量的兩種不同狀態(tài)來表示，當(dāng)然現(xiàn)代計算機還能夠做更多的事，比如，把輸出的0和1轉(zhuǎn)換為生動眩目的顯示器圖像。所以計算機70年來的進步，就只是以印刷在硅晶片上面的微米級半導(dǎo)體電極代替10厘米長的真空電子管而已。

那么，未來的70年呢？計算機還會得到如此迅猛的發(fā)展嗎？回答是肯定的?？茖W(xué)家們靈機一動，巧妙地利用量子物理系統(tǒng)有別于經(jīng)典系統(tǒng)的一個獨特性質(zhì)——除了能夠表達0和1兩種狀態(tài)之外，還能夠同時表達0或者1，只是表達0具有一定的概率，而表達1則具有相應(yīng)的概率，這兩個概率和為1。量子計算機的概念宣告計算機的發(fā)展將徹底地告別過去70年一脈相承的結(jié)構(gòu)，進入一個嶄新的時代。

量子計算是近年來國際上新興的前沿學(xué)科。量子是一種“十分玄妙”的東西。目前量子計算以及相關(guān)的量子通訊和量子信息領(lǐng)域正在飛速發(fā)展，因此這個領(lǐng)域也正在吸引越來越多的參與者。隨著主要的障礙已經(jīng)或正在被克服，似乎可以樂觀地估計，在不久的將來，量子計算機會突然出現(xiàn)在雜志插頁廣告當(dāng)中，然后我們會突然發(fā)覺自己現(xiàn)在使用的計算機都已經(jīng)扔在閣樓的雜物堆里好長時間了，因為那個時候已然是量子計算機的時代了。

縱觀其發(fā)展過程，量子計算機研究中最突出的特點是物理學(xué)的原理和計算機科學(xué)的交融和相互促進。計算機不再是一個抽象的數(shù)學(xué)模型，物理原理對計算機計算能力和效率的限制愈來愈引起人們的重視。現(xiàn)在，量子糾錯理論成為研究中最熱門的課題。21世紀的量子計算機將會有燦爛的應(yīng)用前景，使信息社會面貌一新。