計(jì)算機(jī)是很多科幻作品中少不了的元素，但是描寫計(jì)算機(jī)原理的卻不多?！逗诳偷蹏?guó)》里的電腦使用了人類作為能量來(lái)源?！躲y河系漫游指南》里面提到地球是一臺(tái)用來(lái)計(jì)算的超級(jí)電腦?！度w》中的超級(jí)電腦是基于質(zhì)子構(gòu)造出的智子。那么，假使未來(lái)真的有一臺(tái)達(dá)到理論計(jì)算極限的終極計(jì)算機(jī)，它到底會(huì)是什么樣的？

理論極限是一個(gè)很有趣的問題。當(dāng)我們聚焦到某項(xiàng)具體的技術(shù)時(shí)，經(jīng)?？梢怨浪愠鏊睦碚摌O限。但是，考慮到未來(lái)會(huì)出現(xiàn)革命性的新技術(shù)，這種估計(jì)就很可能相當(dāng)不準(zhǔn)了。

20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC重30噸，占地167平方米，運(yùn)算速度是每秒10萬(wàn)次。其中包含了17468個(gè)真空管。單個(gè)真空管約幾厘米長(zhǎng)，而真空管的尺寸乘以數(shù)量就限制了這類計(jì)算機(jī)的大小。我們或許可以試著縮小真空管，考慮它的理論極限為何，但是這樣得到的答案毫無(wú)意義，因?yàn)?，真空管很快就被晶體管和集成電路取代了。

在晶體管時(shí)代，摩爾定律曾經(jīng)一度主宰過(guò)它的技術(shù)發(fā)展。這個(gè)定律是說(shuō)，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目每?jī)赡昃蜁?huì)翻一倍。當(dāng)然，這不是什么自然規(guī)律，只是從技術(shù)發(fā)展上觀察判斷出的趨勢(shì)。

隨著晶體管的尺寸逐年下降，材料和制備工藝也有所改進(jìn)。從家用電腦到筆記本電腦再到智能手機(jī)，現(xiàn)代社會(huì)的方方面面都受益于此。現(xiàn)在的筆記本電腦重3千克，運(yùn)算速度是每秒數(shù)十億次，比ENIAC強(qiáng)了一萬(wàn)倍。另一方面，將大量芯片連接起來(lái)構(gòu)成的超級(jí)電腦，例如我國(guó)的天河二號(hào)，則能達(dá)到每秒數(shù)億億次的數(shù)量級(jí)。

然而，摩爾定律也遇到了它的“天花板”。設(shè)計(jì)成本和能量損耗已經(jīng)變得越來(lái)越不劃算，但更重要的是晶體管的尺寸快要接近物理極限了。目前的晶體管已經(jīng)小至7納米級(jí)，而5納米級(jí)的芯片預(yù)計(jì)會(huì)在明年開始量產(chǎn)。更小的晶體管會(huì)產(chǎn)生量子隧穿效應(yīng)而難以保持晶體管的特性。即使這個(gè)問題能解決，1納米這個(gè)原子直徑的尺寸也是難以逾越的鴻溝。人們正在試圖用新的材料、制造工藝和架構(gòu)為摩爾定律續(xù)一陣子的命，但總體上講，這一技術(shù)的極限已經(jīng)近在眼前。

倘若二十年前談起計(jì)算機(jī)的極限，那么大多數(shù)人可能會(huì)以晶體管的極限來(lái)推斷。但二十年后的現(xiàn)在，人們用量子計(jì)算找到了新的突破口。

量子計(jì)算機(jī)的原理相當(dāng)艱澀，但衡量其算力的基本概念是量子比特?cái)?shù)，即同時(shí)使用多少個(gè)互相糾纏的粒子態(tài)進(jìn)行計(jì)算。量子計(jì)算中的“一次計(jì)算”相當(dāng)于同時(shí)進(jìn)行經(jīng)典計(jì)算中的成千上萬(wàn)次計(jì)算，且其比例會(huì)隨著量子比特?cái)?shù)指數(shù)級(jí)增加，因此能夠在晶體管尺寸以外開辟出計(jì)算力的全新可能性。

最近十年來(lái)，量子計(jì)算的研究可謂是突飛猛進(jìn)。各大計(jì)算機(jī)公司都在將量子計(jì)算機(jī)從幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。一方面，量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)在逐漸增加;另一方面，人們也在為量子計(jì)算開發(fā)所需量子比特?cái)?shù)更低或是更普適的算法。就在今年年初，IBM剛剛發(fā)布第一款商用的量子計(jì)算機(jī)。今年6月，華為已經(jīng)完成“昆侖”量子計(jì)算模擬一體機(jī)原型。以目前的發(fā)展速度看，應(yīng)當(dāng)會(huì)在接下來(lái)的5到10年里逐漸普及開來(lái)。

但在那之后，量子計(jì)算會(huì)如何發(fā)展，甚至超越量子計(jì)算的計(jì)算機(jī)會(huì)如何發(fā)展，現(xiàn)在的我們就難以想象了。

回到最開始的問題：既然現(xiàn)在的我們想象不到未來(lái)的技術(shù)革新，那么我們還能回答“計(jì)算機(jī)的理論極限是多少”這個(gè)問題嗎？有趣的是，不依賴于具體技術(shù)的解答反而非常簡(jiǎn)單。早在2000年，物理學(xué)家塞斯·羅伊德（SethLloyd）的一篇文章就討論過(guò)這個(gè)問題。他的解答只依賴于一些基本的物理定律及其解讀，甚至可以幫我們想象出終極的計(jì)算機(jī)應(yīng)該是什么樣子。

如果計(jì)算機(jī)可以采用任何技術(shù)，那么限制它的就只有物理定律了。我們知道，所有計(jì)算都可以拆解成最小的邏輯門運(yùn)算（例如與門、非門等等），而執(zhí)行任何運(yùn)算的時(shí)候都需要讓計(jì)算機(jī)產(chǎn)生可以觀測(cè)的變化——這個(gè)“可以觀測(cè)的變化”就是塞斯·羅伊德（SethLloyd）的推理中最有趣的地方：經(jīng)典物理中，觀測(cè)量的變化都是連續(xù)確定的，因此“可以觀測(cè)的變化”僅受限于測(cè)量精度。但是量子物理中就不同了。不確定性原理里面有一條叫作“能量-時(shí)間”不確定性原理。它的解讀告訴我們，一個(gè)能量為E的系統(tǒng)，它從一個(gè)量子態(tài)變成另一個(gè)可以區(qū)分開的量子態(tài)的時(shí)間為t。

當(dāng)計(jì)算機(jī)的質(zhì)量給定之后，就可以從E=mc^2得知系統(tǒng)的能量，而上文中得到的t就是做一次量子態(tài)計(jì)算所需要的最短時(shí)間。這就是計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的極限，與任何具體的算法和技術(shù)原理無(wú)關(guān)，也不可能通過(guò)并行計(jì)算這樣的技巧提升——如果把計(jì)算機(jī)拆成兩個(gè)單元做并行計(jì)算的話，每個(gè)單元的能量也比之前少一半，計(jì)算速度也會(huì)相應(yīng)減慢，因此總的計(jì)算速度不會(huì)比拆分前更高。

當(dāng)然了，這個(gè)極限計(jì)算速度比我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)速度要高非常多。假設(shè)一臺(tái)重一千克的筆記本電腦，用質(zhì)能方程折算成能量之后算出的運(yùn)算速度極限是每秒5.42*10^50次，這比現(xiàn)在的筆記本電腦運(yùn)算速度要高40個(gè)數(shù)量級(jí)。

文章里還有另外兩條結(jié)論：計(jì)算機(jī)的“內(nèi)存”極限取決于系統(tǒng)的熵——這個(gè)涉及熱力學(xué)和信息熵的概念;而計(jì)算機(jī)的尺寸限制了串行計(jì)算時(shí)的通信速度——因?yàn)橛?jì)算機(jī)這一頭計(jì)算出的結(jié)果想要傳給另一頭繼續(xù)計(jì)算所需要的時(shí)間受限于光速，也就是越小就越快。

因此，一臺(tái)“極限”的計(jì)算機(jī)會(huì)是一團(tuán)被壓縮成黑洞尺寸的極熱基本粒子。由于在目前比較新的物理理論中黑洞是有輻射的，這就意味著黑洞能有輸出，因此用黑洞做計(jì)算在理論上或許真的有那么些可行性。

塞斯·羅伊德甚至在文章里專門用了一個(gè)邊欄來(lái)討論黑洞計(jì)算機(jī)的能力：結(jié)合黑洞的壽命、質(zhì)量和熵，一個(gè)重1千克的黑洞在完全蒸發(fā)之前的10^-19秒之內(nèi)可以進(jìn)行10^32次運(yùn)算，內(nèi)存則是10^16比特。

這么看來(lái)，和極輕的智子相比，將地球作為超級(jí)電腦會(huì)讓計(jì)算力更高。設(shè)想一下，未來(lái)的程序員們不再是面對(duì)一臺(tái)電腦寫程序，而是根據(jù)所需要計(jì)算的問題精心設(shè)計(jì)一個(gè)小黑洞，然后再捕捉它完全蒸發(fā)后的痕跡分析結(jié)果，是不是相當(dāng)有科幻的感覺呢？

【責(zé)任編輯：遲"卉】