试管里的巨变：DNA计算机

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前言：半导体工业数十年来都遵循着摩尔定律而迅猛发展，然而作为半导体工业的基石——“硅”，由于材料自身所受到的物理局限，可以预见在未来以硅为主要材料的半导体工业终将放慢它的脚步，因此科学家们也在不断的探索采用新的材料和有别于目前“冯.诺依曼”体系的全新计算机，如量子计算机，光子计算机等等，而随着生物工程学的日新月异，一种全新的计算机和全新的计算模式正呈现不可阻挡的发展势头，在本文中，笔者将结合一个著名的数学命题介绍这一计算机发展的全新领域——DNA计算机！

1994年Leonard M. Adleman用一种非同寻常的方式解决了一个原本很简单的问题。这个问题普通人只要几分钟就可以轻松的解决，而如果采用一般的台式电脑只要花费数秒的时 间。而Leonard M. Adleman却花费了整整七天才找到答案。因为他使用了DNA来解决这个问题。而这个实验在分子计算领域却有着里程碑式的意义。

Adleman解决了一个非常著名的问题。这个问题的正式名称叫做哈密尔敦直接路径问题。但是更通俗的叫法是：“售货员旅游问题”。（以下简称JST）： 假定有一个售货员他必须向他经过的每一座城市推销产品，但是为了节约时间，每座城市他只能途经一次，而路径不能重复，而这个问题就是让你为这个推销员设计 这样一条路径。随着城市的增加，问题会变的越来越困难。随着难度的增加，要搜索到正确的路径就需要更加强大的计算能力。同时，大量计算所花费的时间也会越 来越多。问题最终会复杂到需要动用目前最先进的超级计算机。Adleman的实验仅仅解决了7座城市的问题，而要解决这么简单的问题甚至只需要动用你的直 觉。然而这个问题的解决，在许多方面都有着非凡的意义，在下文中作者会向大家解释其中的原因：

这个实验的成功向我们证明了通过利用DNA来计算，使用传统的计算方法，以前很难解决或根本无法解决的问题将变的轻而易举。它开创了在分子水平进行计算的 先例。它突破了硅工业领域在未来永远也达不到的材料尺寸限制。它证明了DNA作为一种数据存储结构的独特应用前景。它还证明了DNA可以以大量的并行方式 工作。

DNA:一种独特的数据结构

DNA的数据密度是领人惊讶的，它就像一条采用0和1编码的数据链。而一条DNA实际上是采用了四个遗传因子编码的：用字母表示分别为：A, T, C,和G。这四个遗传因子（又叫做核苷），以彼此间隔0.35毫微米（十亿 分之一米）沿着DNA分子链排列。这种结构使的DNA有着每英寸接近18M比特的令人不可思议的数据密度。在二 维的角度上看，假设每平方毫微米上只有一种遗传因子，那么数据的密度将超过一百万兆比特每平方毫微米。 相比较目前典型的高性能硬盘每平方英寸7G比特的数据密度，DNA的存储因子只是它的十万分之一。

DNA的另一个重要的特点是它的双链结构属性。遗传因子A和T,C和G能够彼此结合在一起，组成双螺旋结构。所以每个DNA的次序都有一个自然的互补结 构，假定一条S链的次序是ATTACGTCG，那么与之对应的S'的次序就是TAATGCAGC。 S链和S'链会结合（杂交），形成双螺旋DNA形态。这种互补的特性和独特的数据存储结构为它在电脑应用领域提供许多可利用的空间，例如：错误纠正， DNA出错有许多的原因，有时侯DNA酶会发生错误，它会错误的切下一个遗传因子，或错误的加入T将G结合。DNA也会被热量或来自太阳的紫外线给破坏。 如果一条DNA链发生错误，那么修复酶将会参考另一条与之对应互补的DNA链来修补受破坏的那条DNA链。双螺旋结构酷似现在我们采用的RAID 1磁盘阵列。数据在二个硬盘上产生镜像，如果第一个硬盘上的数据发生错误，那么将很快的可以从第二块硬盘上恢复数据。在生物学系统中，这种错误纠正的机制 使得出错的概率变得非常之低。在DNA复制的过程中每10的九次方的复制才可能发生一次的错误，换而言之就是出错的概率仅为10负九次方分之一。

以并行的方式工作：

在细胞里，DNA可以被许多的酶改变。而酶是一种可以根据DNA的自然属性读取或处理DNA的微小蛋白质。有各种各样的可以进行这样“操作”的蛋白质。它 们在分子尺度之内操纵着DNA。例如，有的酶可以切断DNA,有的则可以将切断的DNA“粘贴”到它的背面，其它酶的功能还有复制，修复等。分子化学，生 物化学和生物工程学已经开发出各种技术，这些技术可以让我们在试管里就可以完成大部分这些细胞的功能。这个细胞“工厂”，进行这一系列的化学合成反应。这 就像是电脑的工作一样，CPU进行着基本的运算操作，如：加法运算，数位转换，逻辑操作（或，与，非）等，在DNA中甚至可以进行最复杂的运算，DNA可 以剪切，复制，粘帖，修复等等。而这一切都可以在试管中进行。酶不是在一个DNA中的某个时间起作用。而是在每个DNA分子中同时持续的发挥作用。这种强 有力的DNA计算，可以以强大的并行方式进行工作。

DNA vs. 硅

DNA由于它独特的数据结构，使它具有进行大量的并行操作的能力，同时能够使你从不同角度解决一个问题。基于晶体管的计算机，采用的都是顺序执行的办法进 行运算操作的，当然有一些多处理器电脑和现在CPU里也采用了一些并行技术。但总的来说，采用“冯.诺依曼”架构的电脑，都是以顺序执行指令的方式运作 的。一台“冯.诺依曼”电脑，也就是目前所有CPU的工作方式:基本上都是采用了“读取-执行 循环”的模式，一遍一遍的不停的重复执行；CPU读取指令，然后从内存中取得相应的数据,它速度飞快的一遍一遍，一行一行的读取并执行指令。而DNA电脑 并不是基于“冯.诺依曼”架构的，这种随机的机器可以为了解决各种不同的问题，采用了和传统的电脑不同的运算方式。

具有代表性的是，提高硅电脑的性能往往意味着加快时钟的频率（或者扩大数据的路线），提高系统性能的重点在于提高CPU的速度而非内存的容量。举例来说： 提高一倍的时钟频率比增加一倍的内存容量更能提高系统的性能。而对于DNA电脑来说，电脑的计算能力却取决于内存容量和并行处理，如果让DNA电脑强制以 顺序执行的方式运行，那它将失去它的优势。举例说明：让我们来看看DNA的读写速率吧，在细菌里：DNA可以在一秒钟内复制500对的，从化学领域来看， 这已经是非常快的速度了（是人体细胞分裂速度的10倍），而且在复制的同时它还有着极低的错误率，这已经是一个了不起的成绩了。但是它的数据传输速率只有 1000 bits/sec,和目前硬盘平均的数据传输率相比，这就好比是蜗牛的速度。当是，如果你让DNA中的大量的复制酶并行运作，一个复制酶甚至可以在还未完 成第一个链的复制工作时就开始复制下一条DNA链。所以实际的数据传输率就达到了2000 bits/sec。而在每次复制完成后，下面的复制速度又会呈指数形式的增加。每增加一条DNA链，数据的传输速率就会增加一倍，10次复制之后，DNA 的复制速率就将达到1Mbit/sec,而在复制30次之后，将达到1000 Gbits/sec。这就将大大超越目前最快硬盘的数据传输率。

下面让我们解释如何利用“硅”和DNA电脑来解决这个“售货员旅行问题”（城市的数目小于十个）。对于一台“冯.诺依曼”电脑来说，一个简单的办法是建立 一个“搜索树”，陆续的检查每个完整的分枝，保留下最短的路线。使用好的搜寻算法可以提高运算的速度，新的路线将和原来最短的路线来对比，比它长的路线将 被“砍掉”，比它短的则被保留。直到找到最短的路线为止。而另一种方法是先找出全部所有的路线，然后在在其中找出最短的一条。而要采用这种方法对于传统的 计算机来说实际上是不可能的，因为假设有20个城市，那么存储路线所需要的内存的容量将达到4千5百万G的字节。即使是运算能力达到100MIPS的电 脑，也需要运算2年的时间才能完整的遍历所有的路线。然而如果使用DNA电脑，这种办法就变得切实可行。只需要若干立方毫微米的物质，就可以进行遍历所有 路线的运算，而所有的操作都不必以顺序的方式计算，而可以以并行的方式处理的。

Adleman的实验

让我们就“哈密尔顿路线”问题，通过Adleman的实验，来一步一步具体的解释DNA电脑的运作的。（原理相同的，但是在一些细节上有所省略)

假设我住在L.A(洛杉矶)，需要访问以下四座城市:Houston(休斯敦）, Chicago(芝加哥）, Miami(迈阿密）,和NY（纽约）而NY是我最终的目的地(我的路线还受制于航空公司的飞行航线，比如：有航班从L.A到Chicago但却没有航班 从Miami到Chicago）如果我要不重复的一次就走遍所有的城市，该选择怎样一条路线？

我们只要花一点时间就可以看到，只有唯一的一条路线可以实现我们的目标，从L.A出发，途经Chicago, Dallas, Miami最终到达N.Y，而其他的路线要么不得不重复经过同一座城市，要么就得错过一座城市，或者最终的目的地不在N.Y。很明显，在这个问题上，我们 无需借用电脑的帮助，即使是城市的数目增加到5，6，甚至是8个。不过随着问城市数量的增加，问题会变得越来越棘手。而一些随机路线的增加将会使要搜寻的 路线呈指数级增长。不久以后，你就不得不依靠电脑来帮你解决问题。

而对于DNA电脑来说，问题可以迎刃而解。它只需要列出所有可能的路线，然后找出其中最适合的路线就可以了。这也就是DNA电脑的优势。DNA这些微小的 物质组合在一起，可以快速的处理许多不同的数据流，一旦DNA分子中众多的酶开始共同的工作，大量的选择处理工作就开始进行。

在Adleman的实验中:具体的计算方法如下：

1、列出所有可能的路线
2、列出出起始于出发城市终止于目的地的所有路线
3、列出包含有正确城市数目的路线
4、列出只经过所要旅行城市一次的路线

以上的全部的步骤都可以以现代标准的分子生物学技术实现。

第一步：列举出所有可能的路线

方法：利用短的DNA序列给每个城市的进行编码。通过连接每个城市的序列为每条的路线进行编码。

DNA可以简单的看作是一串数据链，举例说明：每个城市可以用一个6个基因因子的代码进行编码。

Los Angeles： GCTACG
Chicago： CTAGTA
Dallas： TCGTAC
Miami： CTACGG
New York: ATGCCG

而整条的路线可以用一条DNA代码表示的DNA链来代表 :如L.A -> Chicago -> Dallas -> Miami -> New York可以用GCTACGCTAGTATCGTACCTACGGATGCCG这条DNA代码链来表示。因为DNA具有双螺旋的互补结构，因此还可以用它 的互补结构来表示。

那么我们如何的计算所有的路线呢？合成短的单一的DNA就是常用的一种办法。因此为每个城市进行编码是很容易的，而DNA分子可以用在一种称之为“DNA 合成器”的机器产生，甚至可以通过向研究机构定购获得。路线可以通过以合适的顺序连接城市的代码中得出。例如：你可以将出发城市代码的后三个字母和到达城 市代码的前三个字母结合起来，这二者组成的代码就可以作为这二个城市之间的编码。如Miami (CTACGG)和NY (ATGCCG)之间的路线代码就可以将Miami代码的后三个字母（CGG）和NY代码的前三个字母（ATG）提取出来，得到CGGATG这个编码，而 通过互补计算得出的GCCTAC，就可以当成是Miami和NY二座城市之间路线的代码。

任意的路线可通过混合城市的代码得到，最后DNA链以会被一种叫“连接酶”的物质连接在一起，留下的大量的DNA链就代表着任意城市之间的任意的连接

我们可以认为城市之间的所有可能的路线都包含在这众多的DNA链里面，前面我们有提到DNA是一种高度紧密的数据结构。因此，计算得到的数据都包含在这体积微小物体里。

第二步：筛选出包含正确的出发和到达城市的路线

方法：通过“聚合酶链式反应”选择性的复制和增加从LA出发并抵达NY的DNA片断

在执行第一步工作之后，在试管里充满了各种不同长度的DNA，在这些DNA里面包含着城市之间的所有路线，当然也包括从从LA到NY的路线，那如何找出这 些路线了，这就需要借助一种技术我们称之为“聚合酶链式反应”（Polymerase Chain Reaction）简称为(PCR),这种技术可以让我们复制特定部分的DNA序列，PCR是借助一种称之为聚合酶的物质进行复制并且是一种能够反复循环 发生作用的连锁反应。聚合酶可以从单个DNA链的特定的位置开始复制，这个位置我们称之为初始位置，聚合酶不断的复制我们所需要复制增加的那一部分的，因 此包含有有效路线的DNA的数量不断的增加。这些DNA呈指数级的增长。当试管中充满了包含正确路线并且成倍数形式存在的大量的DNA链时,聚合酶链式反 应将中止。

第三步：选择包含正确城市数目的路线

方法：通过其长度来挑选包含5个城市的DNA链。

如上面所述，在试管中充满了包含用DNA编码的从LA到NY的路线，而在这些路线之中，包含途经城市的数目也不相同。现在我们的任务是选出包含5座城市的 路线。要完成这个任务，我们需要使用一种叫作“凝胶电泳”的技术。这是一种广泛采用于溶解DNA的技术。这种技术的基本原理就是对DNA施加电场，迫使它 通过凝胶矩阵。在大多数情况下，DNA分子带有负电荷，如果施加一个电场，那么它就将被负电所吸引。然而DNA的电荷密度是恒定的，因此当DNA链需悬浮 在试管中时，长DNA和短DNA移动的速度是一样的，所以还需要使用到凝胶体矩阵，凝胶体是一种由许多的条缕状物质形成的网状的聚合体。而我们要做的就是 施加电场让不同长度的DNA链通过这种由许多条缕状物质交织在一起的“迷宫”。由于DNA链的长度各不相同，因此他们通过的速度也不同，（长度越长，通过 的速度越慢），我们在DNA通过的不同数量凝胶体之后，设定不同的级别，每个级别代表了一个特定长度的DNA链。接着我们就可以简单的裁剪出有用的 DNA，将特定长度的DNA隔离。

第四步：选择包含完整城市的路线。

方法：在筛选出的包含有五座城市的DNA链中，最终筛选出包括有五座特定城市的路线的DNA链。

包含有特定顺序的DNA可以通过一种称之为“亲和纯化”的技术从混合的DNA链中分离出来。它可以吸附于之互补的DNA链，这就像一个“磁珠”。可以吸引 与之磁性相反的铁条。这些吸附在“磁珠”上的DNA链而后通过互补作用重新的连接在一起。最后，包含有正确路线的DNA链就被吸附在“磁珠”上：

因此经过5次的亲和纯化（每次的都是用不同的互补DNA链）例如：第一次用L.A'（L.A'表示与L.A互补的DNA链）进行“亲和纯化”，就可以得到 包含L.A.编码的DNA链，第二次我们使用Dallas'进行“亲和纯化”，第三次是 Chicago'接着是Miami'，最后是NY'。在这个过程中，“亲和纯化”的次序并不是最重要的。如果一条的路线缺少了一座城市。那么它将会在“亲 和纯化”过程中被“过滤”出来。最后我们得到的就是那些从L.A出发，途经每座城市一次，并最终抵达NY的线路了。而这条路线就是我们努力要寻找的，如果 答案真的存在，，最终的结果就将在这一步揭晓。

解读答案

我们可以通过有一种简单的方法找到答案，即排列DNA链的次序。但是如果我们已经拥有了了城市编码的顺序，那么我们就可以采用一种称之为 “graduated PCR(分级聚合酶链式反应)的方法进行解读，我们使用PCR的方法利用与L.A路线相关的DNA“摹本”进行了一系列的放大。 ，同样也利用“摹本”对对应其他城市的DNA也进行了同样的操作。通过测量每个PCR产物的DNA长度我们可以组合出在这条线路中的每座城市，例如：我们 知道从L.A出发的线路有30个DNA因子那么长。因此如果一条以LA和Dallas为“摹本”的DNA在PCR后的有24个DNA因子的长度，那么我们 就可以知道Dallas是这条路线中的第四座城市。（24除以6），我们只需要留意在试管中剩余的DNA，它们就是以 LA, Chicago, Miami, Dallas, 和NY编码的DNA链。所以如果我们使用LA和Chicago, LA和Miami, LA和Dallas, 以及LA和NY，最终经过PCR反应后得到的DNA链的长度分别为12, 18, 24, 和30个遗传因子的长度。

补充说明：

Adleman的实验解决了“7座城市”的问题，当DNA计算并非完美无缺，复杂的“售货员旅行问题”并未因此而一劳永逸。随着城市数目的增加，问题的难 度仍然会呈指数级增加。对于Adleman的计算方法来说，困难不在于计算的时间上而是计算所需要的DNA的数量。在Adleman实验论文发表之后，有 不少人指出：以“售货员旅行问题”为例，如果城市的数目有200个，那么计算所需要的DNA的重量将会超过地球的重量！而另一个DNA计算面临的问题是错 误率。在计算中每个步骤实际上都包含的统计学上出错的概率，当然在次数较少的DNA复制中，一般情况下，我们可以在错误产生之前就得到正确的答案，可是在 进行多次操作之后，出错的概率会大大的增加。

总结：

目前的计算机已经解决了有13,509座城市的 “售货员旅游问题”，这个纪录是由3台Digital AlphaServer 4100s巨型机 (包含了12个处理单元，每个节点有32台的Pentium-II PC）创造的。 这个计算结果能力并不是仅仅依靠它强大的计算能力，更多的依靠了非常有效的分支算法而得到。而DNA计算机作为一种还很原始的计算技术，改进的余地十分的 巨大，而DNA计算机计算方法的改进，有一天将会创造出新的纪录，向大家证明他优于传统计算机的独特优势。

另一方面DNA计算机的“硬件”（或者应该称之为“湿件”）技术所依托的生物工程学正呈现出和目前的半导体工业一样惊人的发展势头。在不远的将来越来越多 的国家和大企业也纷纷的投入大量的资金来进行这方面的研究，不少公司也推出了他们自己的DNA芯片，而随着“人类基因组”工程的继续开展，DNA计算机这 项技术的发展也将因此而受益。未来的DNA计算机将朝着高速，自动化和小型化的方面发展。同时DNA计算机的应用前景也十分的乐观，或许我们不会使用它来 玩“雷神之锤”的游戏，或者网上冲浪——这些采用目前的电脑就可以很好的胜任。但我们可以用它来研究逻辑，编码解码，基因编程以及自动化，语言系统等等， 甚至发明出我们从未想象到的东西。

未来网络之量子大跃进

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2030 年 4 月 10 日清晨，她在自己位于芝加哥市郊的公寓的精心呵护下早早醒来。一整夜，床头柜中的精确传感器都在监测她的呼吸、心律和大脑活动。盥洗室的水池已经分析过了 她昨晚留下的一小滴血样，了解自由基和癌前期细胞的情况；今晚，就会有一批合适的预防药物送到她在亚特兰大的旅馆。这是一项昂贵的服务，但作为一名基因临 床医学家，沙朗•奥亚（Sharon Oja）认为是值得的。

她走进淋浴间。里面的瓷砖探测到她的出现，开始播放今天的头条新闻: 载人登陆火星代表团计划提前出发。美国军用无人驾驶飞机利用智能尘埃又摧毁了恐怖分子训练基地。曼哈顿的一名高级银行家被裁定犯有欺诈罪，并被判处过 10 年低技术生活。另外，今天是第一台量子计算机问世 20 周年纪念日。

沙朗笑了。今天也是她 24 岁的生日。她对量子位（qubits）──最小的量子信息单位──诞生前的世界知之甚少。

她穿戴整齐，选了一顶时髦的卷边草帽戴在头上。量子计算技术使服饰行业出现了出人意料的复兴: 在帽沿周围的缎带里，是沙朗的通信中心和智能助理，它们已经浏览过她昨晚收到的 50 万封电子邮件，并进行了分类。等她走到汽车前时，这个系统已经在她的大脑视觉皮层上播放了最重要的 10 封邮件和她的行程表。所有的文字都从她的视野上方向下滚动，直到在底端消失。

她的这辆本田牌（Honda）氢燃料汽车知道今天会是一个反常的温暖天气──实际上，因为有了量子计算机的模拟系 统，它五年前就已经知道今天的天气了，汽车还会把天气信息自上而下地滚动显示给她看。沙朗开车上了高速公路，拐进智能道（Smart Lane），疾驶而去。帽带里的智能系统为她放映父母发来的生日录像和老板发来的经过高级加密的备忘录。

机场没有检票口或警戒线。沙朗只需要通过一扇旋转门，它会检查她是否携带了危险品，核对她的身份，确认机位预订情 况，然后将登机口的号码交给她，整个过程只需要一秒钟。她甚至不用费事去查看飞机是否准时──因为航班的模式就像天气一样可以计算，O'Hare 机场五年来还没有延误过一次起飞。

在行李托运处，她看到一名熟悉的男子，头上戴著像犹太人的圆顶小帽一样的智能帽。沙朗帽子上的缎带已经开始工作了， 闪出他的虚拟名片，旁边是从谷歌（Google）搜索到的关于他的前 10 条记录。“霍顿（Horton）医生，”她喊道，“真高兴再见到你。那次糖尿病会议怎么样？”霍顿医生的眼睛轻轻闪烁了几下，只有这个细节泄露了他也在搜 索沙朗的详细资料。“你好，奥亚小姐，”他说，“祝你今天过得开心。”沙朗露出灿烂的笑容，心里默默地感谢那位量子计算机的创造者。
　　
这 是科幻小说，对吗？当然──人造卫星、登月计划以及最原始的微处理器也都曾经是科幻小说中才有的东西。然而，对于处于量子计算技术领域前沿的科学家来说， 上面的情景还是比较保守的预测。“真正的计算技术时代甚至还没开始。”惠普公司（Hewlett-Packard）的科研专家斯坦•威廉斯（Stan Williams）说，“我们现在拥有的只不过是一些小玩具，比算盘高明不到哪儿去。我们面临的挑战是尽可能接近物理学的基本定律。”

传统的计算技术以及它蚀刻在硅片上的微型电路到目前为止只能告诉我们: 摩尔定律（Moore's law）──同等空间所能容纳的计算能力每 18 个月就会翻一番──到 2015 年将会遇到硅这种材料带来的限制。（罪魁祸首是超高温，这是由通过集成更加紧密的电路的电荷造成的。）如果我们希望使计算机在那之后仍然能继续发展，做到 沙朗生活中那些神奇的事情，我们就必须解决如何处理量子领域中大伤脑筋的规则。就像《爱丽丝漫游仙境》（Alice in Wonderland）中的仙境一样，量子世界里的亚原子微粒也能同时处于两个地方。

幸运的是，某些世界领先的研究机构和技术团体正在从事这方面的研究。科学家们创造出一个个单独的电子，调整它们的自 旋转。我们已经掌握了亚原子电路。但是由于已取得的实质性突破深藏在艰涩难懂的刊物之中，就连当今最高明的计算机用户也会感到头疼，所以这些突破的重大意 义很容易被人忽视。

量子革命的确凿证据在 7 月亮相市场，由摩托罗拉（Motorola）派生的新公司飞思卡尔半导体公司（Freescale Semiconductor）的磁性随机存储器（MRAM）芯片开始投入商业化生产。你第一次注意 MRAM，可能会是在你购买了一架可瞬间存储照片的数码相机的时候。又过了几年的功夫，便出现了可以像电灯一样开启的新型便携式电脑。

MRAM 的速度这么快，是因为一种所谓的巨磁阻效应（gaint magnetoresistive effect，GMR）。虽然它听起来好像电影《X 战警》（X-Men）里的某种东西，但是如果你把几张超薄磁膜在一起，让它们相同的磁极相对，就会感到阻力，这里面就有 GMR 的作用。也就是说，电子会按照两种不同的方向旋转。电子会像陀螺或弹子球一样在与磁场相对的某个方向旋转。改变磁场的方向，电子的旋转方向也会随之改变。 这个基本的量子效应可以当作二进制比特，旋转的方向可标记为“0”或“1”，用来存储数字信息。

在传统的计算技术中，这些 0 和 1 是通过接通和切断电流来实现的。与电荷相比，旋转受环境的影响较少，并且衰减的过程也更加缓慢。而且，要产生电荷，需要持续的电力；计算机断电时，电荷也 就没有了。而使用磁性设备，存储器在断电时会保持不变。磁性设备还会给你带来一项额外收获──并且绝对是一项重大的收获，如果这个系统中不需要电，也就不 存在限制摩尔定律的高温问题了。

这项存储器上的突破主要应当归功于 DARPA，即国防先进技术研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency），也就是五角大楼里给我们带来了互联网的那群人。而且，尤其应该归功于 62 岁的物理学家斯图尔特•沃尔夫（Stuart Wolf），他最近离开 DARPA 去了弗吉尼亚大学（University of Virginia）。从 1993 年起，这个国防机构已经在沃尔夫创立的量子研究项目上投资 2 亿美元以上。

虽然 MRAM 仅仅是针对存储功能的，但是控制计算设备的旋转的能力──沃尔夫发明了“自旋电子学”（spintronics）这个词来描述这项研究──具有重大意义。 接下来的努力方向就是让电子旋转在实际的计算中发挥作用。在戴维　奥沙隆（David Awschalom）的带领下，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）的一支研究小组通过控制半导体和其他只有几纳米大小的材料中的电子旋转，已经在这个研究方向上取得了巨大进展。这可能不仅意味著高温带来 的困扰将会结束，还意味著有可能使计算机技术发展到分子领域。有了分子水平的芯片，便携式电脑的计算能力将远远超过目前万亿级的超级计算机。

而且，就连分子水平的计算机也会很快成为落伍的庞然大物。2004 年，IBM 的丹•鲁加尔（Dan Rugar）利用磁体控制了单电子的旋转，这个实验被美国物理学协会（American Institute of Physics）誉为当年最重要的实验。在理论上，这意味著我们能制造亚原子水平的电路了。在这个水平上，粒子的运动更加复杂，并且能够──同样是在理论 上──完成更具有挑战性的工作。

在亚原子水平的世界里，磁旋转可能发生在上方、下方和中间的任何位置──并且完全在同一时间发生。这是量子力学中的 一种奇怪现象，叫做加（superposition）。出现这种现象的原因可能是电子有时候的运动更像是波，而不是粒子。你可以想象一根弦，两端固定， 不停震动。如果你适当地控制震动，弦的一端会向上运动，而另一端向下运动。而且它会像波一样，同时取上下两个极限之间的每一个值。

在现代计算机的二进制数学中，每个比特都是 0 或 1。但是，如果一行原子中的每个电子都可以同时在两个或两个以上的位置出现，我们就可以利用这些位置进行计算，指数的力量就会显示出来。假设一个量子比 特，即量子位，能够同时代表两个值，那么联在一起的两个量子位就可以同时表示四个值，三个量子位就能同时表示八个值，以此类推。20 个量子位能够同时表示的值将接近 100 万个（2 的 20 次方）。

利用这种指数增长的力量，你可以解决任何以指数形式扩大的问题，而有很多非常重要的问题都属于这种类型。目前，我们 还不能准确地预测天气或交通状况，也不能准确预测病毒的变异情况，因为这些问题涉及的变量数以及变量之间可能存在的相互作用对于现在的计算机来说是一个天 文数字。量子位将彻底改变这种情况。

量子位可能带来的另一项进步，涉及到所谓的纠缠现象（entanglement）──也就是爱因斯坦所描述的著名的 “幽灵式超距作用”（spooky action at a distance）。这是一种粒子间的亲和性: 一旦两个亚原子粒子纠缠在一起，就会以一致的步调运动，即使彼此相距甚远。利用这种能力，就可以实现绝对安全的通讯，因为只要篡改了其中的一个粒子，与其 配对的另一个粒子也就失去了的通讯价值。这一点至关重要，因为量子计算机将能够破译目前使用的任何密码技术。

诚然，从改变一个电子的旋转到建立一个以此为基础的电路，还需要经过漫长的努力，而且许多一度被认为很有希望的技术 都被一一淘汰了。英特尔公司（Intel）的首席执行官欧德宁（Paul Otellini）始终对量子理论持怀疑态度，越来越不愿意为这个领域的研发项目提供资金。他说，有关硅原料将会销声匿迹的报导纯属夸大其词。

但是，量子计算科学家们却非常自信。作为科学家来说，这样的自信程度真是令人惊讶。加州大学洛杉矶分校（UCLA） 的电子工程学教授伊莱•亚布鲁诺维契（Eli Yablonovitch）说，“这是我一生中最激动的时刻，而我已经不再是爱激动的年轻人了。我们期待著直接影响全世界的每一个人。”量子计算技术“的 实现几乎就近在眼前，处于最困难的攻坚阶段，每年都会取得显著的进展，”哈佛大学的查尔斯•马库斯（Charles Marcus）说。“随著时间的流逝，我们会对自己说，｀我简直不敢相信它竟然这么难。＇我们会让本科生来做这些事。这就是科学的本质。”

如果让科学家们预测在大约 20 年后，量子技术会给世界带来哪些变化，他们的想象力马上就会疯狂地驰骋起来。最普遍的一项预测就是，我们会看到──确切地说，我们根本看不见──计算机无 所不在，画在墙上的、镶在椅子里的……还有植入你身体内部的，它们相互之间保持著不断的联络，而且需要的电力一点也不比从空中接收无线电频率多。

智能呈指数增长的计算机还可能实现计算机科学长期为之奋斗不懈的两个目标: 模拟人脑的神经网络，以及真正的（或近乎真正的）人工智能。“这将弥补我的智力，”加州大学洛杉矶分校的亚布鲁诺维契说。“我想知道什么，就可以用它查 询。我可能忘记的东西，都可以用它找回来。我会变老，但这没关系。我不必记住任何东西。”
在所有科学家对量子未来的展望中，沃尔夫的想法或许是最标新立异的。“我想象未来我们将不再使用便携式电脑，”沃尔夫说，“也不再使用手机。我们会把它戴在身上。它变成了一根发带。而且我们也不需要屏幕了，计算机会和右脑直接联在一起。”

最近的实验证明，利用超声波精确地瞄准，很容易将信息传递给大脑。索尼公司（Sony）今年年初申请了一项专利，可 以通过超声技术向我们的大脑播送电子游戏。但这些游戏和我们现在的电子游戏完全不同。把超声波传感器上面的细带子绕在你的头上，就可以用任何方式刺激你的 任何感觉。这些传感器由高智能的量子计算机控制，每台计算机都与一个拥有无限带宽的全球性网络连接在一起。在机器的刺激下，你会产生视觉、听觉、触觉、味 觉、嗅觉等各种感觉。获取大脑返回的指示──换句话说，就是阅读思维的电脑──虽然稍微困难一点，但并非不能实现（神经科学家已经为残疾人开发了一种能够 解读脑电波的通讯装置）。

沃尔夫预计，不出 20 年，我们就会用“能上网的心灵感应术”取代现有的手机通信方式。想象一下，你走在拥挤的街道上，周围的人群中有一小部分人决定用发带传送自己视野内的信息 ──这样你就真的可以绕过街角看到他们了。交通工具可以用思想来驾驶。梦境可以被记录下来，通过网络四处传播，就像我们在 Flickr 上分享照片一样简单。

当然，某些人会对此感到不安，几乎每项新科技都会让某些人感到不安。但是，虽然我们还不清楚我们的社会会怎么应用量 子计算技术，但怎样进入量子时代却是非常清楚的。“令人惊奇的是，我看不到有任何大的障碍阻止我们进入量子时代，”沃尔夫说。问题在于什么时候能够实现， 而不是是否能实现；确切的时间（及地点）要由可以利用的研究经费的金额来决定。参加这场赛跑的当然不只是美国；欧洲人和日本人都在花钱做大量的研究工作； 印度和中国也加入了这一行列。

我们面临的主要局限并不是创造出真正的量子计算机，而是软件工程师们的想象力。这是对未来的谷歌天才们的最大挑战: 使计算技术和网络的能量无限地发挥作用，并创造出简易的交互平台，让所有的人都能轻松掌握。

但是，发带这种设想怎么样？它会不会从身上掉下来？“人们不喜欢把计算机植入大脑中，”沃尔夫认为。“但如果你只是 将它戴在头上，而它只是通过超声波来与你联系，我的意思是，你就可以随时将它取下来。”就像以前出现的那些引起混乱的技术一样──比如广播、电视和互联 网，可能要等到下一代人，才能真正认识到量子发带的潜力，并把它看成是正常的东西。2006 年出生的沙朗　奥亚可能只会觉得，这种美好的未来是她和她所处的时代应该享受的。

科学家成功的进行了一次创纪录的远距离量子加密通信

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"physorg.com报道，洛斯阿拉莫斯国家实验室和美国国家标准与技术研究院的科学家在一段创记录的长达107公里的光纤上论证了绝对安全量子密钥分发(QKD)。 科学家在《物理评论快报》发表的报告中介绍了他们是如何执行诱骗信号量子密码协议（decoy-state protocol），从而创造出对某种窃听和攻击免役的安全密钥。“从理论上讲，QKD是十分安全的，但现实中的QKD系统依靠的是并不完美的装置，可能 会造成安全漏洞。而大多数系统使用一种激光脉冲而不是使用一种单一的光子源。对于QKD而言，信息在单一的光子内被编成密码是非常重要的，但激光源会发出 一系列的光子数，这样可能总会有超过一个的光子存在于激光脉冲里。在面对几种可能导致密码系统失效的攻击时，系统就变得很脆弱。”戴纳·罗斯勃格说道。"

东京大学成立纳米量子领域研究机构

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东京大学成立了纳米量子领域产学协作组织——“纳米量子信息电子研究机构（Nano Quine）”。东京大学成立了由校长直接领导的“机构”或“网络”学术研究组织，该研究机构是第7个组织。

此次成立的新研究机构将成为日本文部科学省的“纳米量子信息电子协作研究”项目的核心研究组织。该项目是一个跨时10年的大项目，3年后和7年后对项目的内容进行再审查，10年后汇总最终结果。

该项目已经得到夏普、NEC、日立制作所、富士通研究所的赞同，将在东京大学设置“东大企业实验室”，作为突破企业和学术壁垒的联合研究平台。另外，东京大学除与京都大学、北海道大学、庆应大学和日本信息通信研究机构（NICT）等日本国内研究组织协作外，还准备同美国斯坦福大学（Stanford University）、德国慕尼黑工业大学（Technische Universit t München）和英国剑桥大学（University of Cambridge）等开展合作。

该机构的研究对象从超宽带网络和加密通信等系统领域，到量子激光元件等元器件领域，涉及面非常广泛。作为在机构内部推进各项活动的部门，将成立“纳米量子信息电子研究部门”、“新一代纳米电子研究部门”和“量子信息科学基础研究部门”。

　　纳米量子信息电子研究部门的主要研究课题包括单一光子发光元器件等量子信息元器件的高性能化、量子加密通信系统与量子计算机的模型验证等。新一 代纳米电子研究部门的主要研究课题包括量子点激光元件等纳米元器件以及有机晶体管等。量子信息科学基础研究部门将以上述2大部门为技术依靠，在量子级别上 实现控制。

　　该研究机构的另一个课题是人才培育。东京大学校长小宫山宏表示：“今后，博士不仅要在学术领域，还希望能够在民间企业成为领导。纳米量子领域是培育能在民间大展身手人才的良好题材。”并结合海外大学免除硕士、博士学费等做法，指出了日本国内与博士培养有关的课题。

　　作为来宾致 词的日本文部科学省科学技术与学术政策局长小田公彦针对这项将跨时10年的大型项目的实施，充满勉励地说道：“要有破釜沉舟的气概。如能成功，就将成为今 后其他项目的典范”。接着他又表示：“研究成果往往产生于观念灵活的风险企业。此次以大厂商为主成立的组织将面临着如何吸引全新人才的课题。”

人类本身将能瞬间转移？

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在很多科幻小说中，一个人或物从一个地方消失，瞬间又突然在很远的地方出现。在现实生活中，真有这样的“隧道”让我们瞬间转移吗？研究量子态隐形传输技术的科学家们给出了答案:“不久的将来，理论上有可能会实现传送人类本身！”
中国科技大学教授潘建伟及同事的研究成果成了《自然》杂志的封面文章。他们首次成功实现了两粒子复合系统量子态隐形传输的实验，有可能让物质甚至人体瞬间实现异地转移、传送。这是国际上首次成功实现复合系统量子态的隐形传输。
此次，他们不仅在国际上首次成功实现了复合系统量子态的隐形传输，而且第一次成功实现了六光子纠缠态的操纵。他们的实验结果表明，物质的瞬间无影转移会成为可能。
“量子态隐形传输”通俗地来说，就是将粒子从一个地方瞬间转移到另一个距离遥远的地方，好像穿越了“时空隧道”。
不久的将来，这项成果还会在保密通信、量子计算机等方面有大量的应用，改变我们的生活。

服务器计算速度有望提高18万亿倍

在目前的计算机中，电子比特（二进制数）要么是“1”要么是“0”，这就是说，目前的计算机利用3比特只能保存8 种“0”“1”组合中的一种，而量子计算机可以用3昆比特保存所有8种组合。从理论上说，3昆比特量子计算机运算速度是3比特PC的8倍，因此，64位昆 比特量子计算机的运算速度是64位PC的2的64次方次倍，即18万亿倍。

近日，据美国犹他大学一位物理学家说，他迈出了建造使服务器运行速度提高18万亿倍成为可能的第一步。

　　这种速度提高依赖于量子比特（qubit，昆比特）—同时但在不同位置具有二进制“0”、“1”两种状态（在亚原子物理中，最小的光子和物质可以同时处在不同的位置）。

　　在目前的计算机中，电子比特（二进制数）要么是“1”要么是“0”，这就是说，目前的计算机利用3比特只能保存8 种“0”“1”组合中的一种，而量子计算机可以用3昆比特保存所有8种组合。从理论上说，3昆比特量子计算机运算速度是3比特PC的8倍，因此，64位昆 比特量子计算机的运算速度是64位PC的2的64次方次倍，即18万亿倍。

　　犹他大学物理学副教授Christoph Boehme读出了以一组数千个磷原子的磁性“旋转”形式保存的数据。他说：“我们的试验证明，嵌入在硅中的磷原子核旋转方向可以利用流过磷原子的非常微小的电源来测量。”

　　Boehme说：“我们克服了建造磷、硅量子计算机的主要障碍，对于磷、硅量子计算机来说，数据读取是最大的问题，而我们证明了读数据的新方 法。” Boehme的工作建立在澳大利亚物理学家Bruce Kane 1998年在一篇论文中提出一种实现量子计算机的方式的基础之上。Boehme称，读取单个磷原子的旋转在技术上是可行的，但推测建造量子计算机仍需要很 多年时间，现在还处在发展的早期阶段。

单粒子的量子态可作为存储最基本单位

　　　　迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。现代计算机都按照相同的基本原理工作，通过操纵代表一位信息 （"0"或"1"）的每个晶体管执行计算。量子计算采用完全不同的方法，使用了量子位或者叫昆比特（qubit），按照量子物理的神奇理论，它可以同时为"0"或"1"。

　　犹他大学的物理学家Christoph Boehme实验证明，在将来，用超高速的量子计算机读出以磁"旋
"磷原子形式存储的数据是切实可行的。这就表明单粒子的量子态可以作为存储的最基本单位。

　　犹他大学物理学副教授Christoph Boehme说：“我们已经通过实验证明，嵌入硅的磷原子的核自旋方向可以通过穿过磷原子的微量电流在测量。”

　　迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。现代计算机都按照相同的基本原理工作，通过操纵代表一位信息（"0"或"1"）的每个晶体管执行计算。量子计算采用完全不同的方法，使用了量子位或者叫昆比特（qubit），按照量子物理的神奇理论，它可以同时为"0"或"1"。

一个昆比特（qubit）可以存储和处理两倍于一个常规比特（bit）的信息。看上去似乎没什么大不了的，但把昆比特组合起来时，改进就成了指数级的，换 句话说，两位昆比特比两位比特强大四（2×2）倍。这意味着一个64位昆比特计算机理论上将比最新的64位计算机强大180万亿亿（2×64）倍。如此强 大的计算能力的影响已经完全超出了我们的想象。

　　Boehme的新研究实验是受到澳大利亚澳大利亚的一位物理学家Bruce Kane启发，这位物理学学家曾发表了一篇名为《硅基核自旋量子计算》的论文。在这种计算机中，硅与磷原子参杂在一起，数据可以在这些原子核自旋中进行编 码。外部应用的电场可以用来读出并处理以“旋（spin）”的形式存储的数据。

　　关于旋（spin）的意思解释起来比较困难。简单来说，想象一下每个粒子里面包含一根极小的磁条，像指南针一样，可以指向上也可以指向下来代表粒子的旋。在基于旋的量子计算机中，上下代表0和1，昆比特（qubit）可以同时为“0”或“1”。

　　在此次研究实验中，Boehme和他的同事将硅和磷原子参杂在一起。通过利用外部电流，他们可以“读”存在于硅表面附近的10000个磷原子核和电子的net spin。

　　真正的量子计算机应该只需要读单个粒子的旋，而不用读成千上万的旋。在此之前，通常用一种名为磁共振的技术可以读结合在一起的100亿个磷原子中的电子的net spin。

　　Boehme称：“我们发现了一种机制，当磷靠近硅表面时，我们可以测量单个磷原子的核中的旋。”他还说，通过改良设计，应该制造一种更小的装置让我们可以读单一磷原子核。

中科大成果入选国际物理学年度重大进展

美国物理学会评选的2006年度国际物理学重大进展日前揭晓，中国科学技术大学潘建伟研究小组发表在 《物理评论快报》上的关于“单光子量子态远程克隆”的研究成果榜上有名。这是继2004年之后，中国科学家在国内取得的研究成果再次被美国物理学会选为国 际物理学年度重大进展。

潘建伟和他的同事们利用国际领先的多光子纠缠技术，在国际上首次实验实现了基于多光子纠缠的量子态远程克隆，随后日本东京大学一个研究小组实现了基于连续变量的量子态远程克隆。这两项工作一起被美国物理学会评选为2006年度国际物理学重大进展。

近年来，潘建伟教授领导的中国科大研究小组在《自然》《自然物理学》和《物理评论快报》等国际权威期刊上发表多篇论文，在国内外学术界具有广泛影响 并被高度评价。该研究小组2004年关于“五粒子纠缠态的制备与操纵”的工作曾同时入选欧洲物理学会和美国物理学会国际物理学年度重大进展。

量子态信息读取处理有新方法

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计算机芯片的基本处理单元是晶体管，随着芯片处理能力的增加，晶体管体积也不断变小。如果摩尔定律不变，那么在大约2030年左右，每个晶体管将只 有氢原子那么大。届时，即使我们能制造这么小的晶体管并且解决了芯片的耗能和散热的问题，根据量子力学，单原子和电子的行为将表现出不同于经典力学的奇特 的方式。对用传统方法设计的计算机单元来说，量子效应将成为一种主要的障碍。因此，传统的硅芯片计算机将不可避免地遭遇发展极限。向更微观的原子世界进 军，开发量子计算技术将是唯一的出路。

　　近日美国和德国科学家在研制量子计算机的道路上又迈出了一大步，提供了一种读取磷原子自旋态储存信息的方法。这份研究将刊登在12月的《自然·物理》杂志上。

犹他大学助理教授克里斯托弗·伯麦领导了这项研究，他说：“我们的工作是纳米尺度读取数据装置机理上的突破。我们已经用试验证明掺杂在硅中的磷原子原子核自旋方向可以通过流经磷原子的微弱电流测出。”

　　伯麦说：“我们解决了制造磷-硅量子计算机的一个主要障碍，我们找到了一条新的途径来读取数据。”

　　在现代电子计算机中，信息借助带负电的电子流动进行传输。计算机中的晶体管是储存数据的电子开关，不带电为关闭，带电为打开，也就代表了一个字 长度的信息：0或1。比如，使用3个字长可以有8种组合形式1-1-1，0-1-1，1-0-1，1-1-0，0-0-0，1-0-0，0-1-0和0- 0-1，当然这3个字位同时只能储存其中的一种组合。

　　尽管量子计算机还没有问世，但由于量子力学的特殊原理，这种最小的颗粒可以同时具有不同的能量位。在量子计算机中，一个量子位可以同时是0又是 1。所以对于3个量子位长的数据，一个量子计算机可以同时储存8个组合。这也就意味着3量子位的量子计算机是普通的3位计算机计算机速度的8倍。现在典型 的个人计算机可以同时计算64位。而64量子位的量子计算机的速度将是它的2的64次方，或者说是它的1800亿亿倍。

　　为了实现量子计算，研究人员一直在纳米尺度(分子和原子级)上探索着多种储存和处理信息的方式。这些方法包括光学量子计算机，以光、离子、原子外的电子轨道能级、量子点、原子核的自旋或磁性取向等制成开关的形式来储存数据。

　　1998年，澳大利亚物理学家布鲁斯·凯恩在《自然》杂志上曾提出了硅基原子核自旋量子计算机的概念。在这种计算机中，被用作计算机芯片的半导体硅中“掺杂”了磷原子，数据就编码在这些原子核的自旋态中。可以使用外部电场来读取和处理这些储存在“自旋”中的信息。伯麦等人的研究验证了凯恩设想中的数据读取环节。

　　这里需要解释一下什么是自旋。一种简化了的描述就是，想象每个粒子——比如电子或原子中的质子——含有一个微小的磁棒，就像一个罗盘针，它要么 指向上方，要么指向下方以表示粒子的自旋。对于以自旋为基础的量子计算机，下或者上分别代表了0和1，一个量子位可以同时取0和1两个值。

　　伯麦等人的研究的对象就是这种掺杂了磷原子的硅。研究人员使用了一块300微米厚、不到3英寸长、大约0.1英寸宽的硅晶体，上面掺杂了磷原 子。之所以掺杂是由于如果太多磷原子排列得太靠近会相互作用导致无法储存信息。一个磷原子核自旋可以储存一个量子位的信息。科学家使用平版印刷技术使两个 金电极接触掺杂硅。然后将一个大约2纳米厚的二氧化硅薄层放到硅上、两个金触点之间的区域。这样，这个装置表面就具有了可以测量磷原子自旋的微小区域。

　　通过在金触点间施加微小的电压，可以产生比普通5号电池小 一万倍的电流。如果在万分之一秒中测量这个电流，它将是一个恒定值，表明硅中的磷原子自旋是随机的，半数朝上，半数朝下。接下来将这个装置用液氦冷却到- 268℃时，大部分磷原子都指向下方。然后再对样品施加磁场和微波辐射，使磷原子自旋在几亿分之一秒内不断上下同时变化。结果，电流也随着上下变动。

　　这就是读取磷电子旋转的基本方法。由于已知电子旋转和原子核旋转的关系，因而也可以由此得知磷原子核的自旋态。

　　在试验中，他们利用外部电场成功读取了1万个接近硅表面的磷原子的原子核和电子的净自旋(netspins)。当然，量子计算机必须能够读取每 个粒子的自旋，而不是上千个粒子。但在过去的研究中，使用磁共振技术仅可以读取100亿个磷原子集体的净自旋态，因此新研究可以说前进了一大步，改善了一 百万倍，下一步只需再改善一万倍就可以读取每个原子的自旋。

　　这其实是一个量子物理学特征，也是制造使用量子计算机的一个大难题：量子纠缠。当两个或多个粒子互相影响时，不可能独立描述任何一个量子的状态。即使当它们随后即被分开很远的距离，它们的行为仍表现得好像是一个整体。

　　新研究表明，使用电学方法不仅可以探测(读取)电子自旋，也可以读取更稳定原子核自旋中所储存的数据。伯麦说：“我们找到了可用于测量距硅表面不到50个原子距离的独立磷原子核自旋态的机理。通过改进设计，可以做出更小的装置来读取单个磷原子核。”

　　当然，在此研究的基础之上还有不少困难需要克服。伯麦说：“如果将量子计算机的开发进度与传统计算机进行对比，我们可能还处于算盘都还没有发现的阶段。我们才刚起步。”

世界首台可玩游戏的互动式DNA计算机面世

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据美国《新科学家》网站美国东部时间2003年8月18日(北京时间8月19日)消息 世界第一台可运行游戏程序的DNA计算机现已面世。该系统命名为“MAYA”，是目前第一个互动式DNA计算处理系统。该系统是以生化酶为计算基础来运算简单游戏。

　　DNA计算机是美国南加州大学莱昂纳德-阿德尔博士于1994年提出的奇妙构思，DNA计算机通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。DNA分子之间的反应可取代CPU进行计算处理

。目前的DNA计算技术都必须将DNA溶于试管液体中。

　　该DNA计算系统是由美国哥伦比亚大学米兰-斯托贾诺维克(Milan Stojanovic)和新墨西哥大学达克-斯蒂芬维克(Darko Stefanovic)研制开发的。以色列魏茨曼科学研究所科比-贝尼桑(Kobi Benenson)称，“用复杂的DNA分子反应作为逻辑通道进行数据处理并实现具体的游戏程序，是DNA计算处理技术上的一个里程碑。”

　　通过生化酶不同的反应可实现比井字游戏更为复杂的计算处理。但是，斯托贾诺维克和斯 蒂芬维克表示，“尽管，DNA计算机可顺利运行而无需人为性干预。但是，DNA计算机远不及硅芯片计算机，因为在人机交互处理中，人为操作与DNA计算机 的交互，不能像硅芯片计算机那样很好地结合在一起。”目前，很少有人能战胜MAYA，斯托贾诺维克已经输给MAYA100多次。他指出，“我们应该改动游 戏程序，让电脑输几次，使玩家感受到胜利的喜悦。”

　　伦敦大学计算机科学家彼得-本特利(Peter Bentley)说，“这是一项非常有趣的研究成果。但是，该系统只是一个新奇的事物，目前仅限于井字游戏，尚不能拓展至更广阔的领域。”斯托贾诺维克和斯蒂芬维克也意识到这一点，他们目前正致力于更深层次的研究开发。

IBM的量子计算机研究又向前迈进了一步

IBM阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界上最复杂的量子计算机运算。他们在试管中将整个经过特殊设计的分子制作成一个7量子位（qubit）量子计算机，这种量子计算机能够在当今的许多数据安全加密系统的核心部分处理简单的数学问题。

IBM研究部信息物理学部经理战略分析师Nabil Amer说：“这一结果使我们进一步认识到量子计算机将来某一天将可能解开一些功能最强大的超级计算机运行数百万年都无法解开的难题。”

IBM 科学家和斯坦福大学的研究生组成的研究组在12月20日发行的科技杂志《自然》上发表了他们这次用量子计算机演示“Shor运算法则”的报告，这种算法是 AT&T公司的科学家Peter Shor在1994年提出的用未来的量子计算机分解一个大整数的算法。现在，用常规计算机求一个大整数的因数是非常困难的（尽管验证的过程极为简单），许 多用来保护数据的密码术都需要用这种计算。

量子计算机利用了原子或原子核的某些量子属性，把这些原子作为量子位（或“qubit”），这些 量子位同时也作为计算机的处理器的内存发挥作用。科学家通过指导量子位之间的互动关系并让它们与外部环境隔离从而使量子计算机进行某些运算的速度远远超过 传统计算机，例如因数分解。用传统的计算机对大整数进行因数分解时，这个数每增加一位，计算机寻找它的因数的时间就要增加大约一倍。相比之下，用量子计算 机进行因数分解时，数每增加一位计算机所需的时间增量是一个常量。

对15进行因数分解就是Shor运算法则的一个最简单最能说明问题的例 子，进行这种分解需要一个7量子位的量子计算机。IBM的化学家设计了一个具有7个自旋原子核的新型分子——五个氟原子和两个碳原子，这些原子核可以作为 量子位形成互动关系，科学家们用射频脉冲对它们进行编程，通过核磁共振进行探测。

IBM的科学家对试管中的这种分子进行控制，并用“Shor运算法则”正确地找到了3和5是15的因数。Amer说：“尽管计算出这一答案看似不值一提，但是在计算过程中对7个原子进行的前所未有的控制使得这一过程成为迄今为止科学家进行的最复杂的量子计算。”

麻省理工学院副教授Isaac Chuang是这个研究小组的领导人，他说：“现在我们面临的挑战是把量子计算从工程设计上变为现实。如果我们能够以更大的规模进行这种计算--比如用数千个量子对非常大的数进行因数分解，那么加密和解密技术将发生根本性的变化。”

尽 管量子计算有巨大的潜力，科学家们最近所取得的进步也非常令人鼓舞，但是量子计算机用于商业应用仍需要多年的时间。基于核磁共振的量子计算机只是在实验室 中进行的试验。量子计算最初的应用将可能是一些特殊功能的协同处理，如解决数学难题、为量子系统建模或进行非系统性搜索。文字处理或解决简单问题等任务用 我们今天的计算机处理更容易一些。

IBM用量子计算机对“Shor算法”的演示也显示出用核磁共振进行量子计算实验的价值，这种方法是90 年代中期Chuang和麻省理工学院的Neil Gershenfeld以及David Cory和他在麻省理工学院的同事们独自摸索出来的。Chuang说：“我们的核磁共振实验激励我们开发可以用于将来的许多种量子计算机的基本工具。最重 要的是，这是模拟和预测因‘脱散’（decoherence）现象（非计划中的量子波动）引起的信号衰减的一种方法。这种工具使我们在7量子位实验中最大 限度地降低了脱散误差。”

核磁共振将继续为量子计算工具和技术的开发提供一个开发平台，但开发和合成具有7个以上量子位的分子将是极为困难 的。因此，IBM以及其它一些机构进行的一些新实验将目标定在开发能够更容易“扩展”为可以用于实际应用的需要大量量子位的量子计算系统。现在，科学家们 认为可以作为量子进行研究的对象包括限定在半导体毫微结构（nanostructure）中的旋转电子、与半导体中的单原子杂质相关的自旋原子核以及通过 超导体的电流或磁流。

我国科学家预言量子计算机15年后有望问世

在日前闭幕的安徽省第五届“兴皖之光”青年学术年会上，中国科学院院士、我国量子通信与量子信息技术首席科学家郭光灿教授预言：15年到20年后，世界首台量子计算机将有望研制成功。

郭光灿院士在报告中指出，近年来，我国在量子技 术研究方面先后取得了卓越成果，在量子密码、量子因特网等方面的研究水平已与国际相当，有的甚至超出了国际水平。不过，目前我们还处于量子的基础研究阶 段。在世界范围内，量子计算机的研究也遇到一些困难，可能要到15年至20年后才能逐渐发展成熟、投入应用，进而成为一个新兴产业。

做 了几十年量子技术研究的郭院士说，作为一门新兴技术，量子计算机现在可能还有很多人不太熟悉。传统计算机是通过二进制位“0”和“1”来表示信息，一个字 节要么是“0”、要么是“1”，而如果用量子状态表示信息，一个量子位就可以表达两者兼有的状态。按照这一构思，量子计算机的信息处理和存储能力比目前的 计算机将有质的飞跃。此外，攻击现有密码体系，用传统计算机要花费上千年，而用量子计算机只需数分钟，它如同“利剑长矛”，能够攻破现有全部计算机的全部 密码体系，也将对信息安全系统构成严峻挑战。因而，量子计算机被科研人员视为替代目前硅芯片计算机的“未来之星”，是目前信息技术领域的研究热点。

由郭光灿院士领导的课题小组此前在国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配。这是迄今为止国际公开报道的最长距离的实用光纤量子密码系统。

离子电磁阱可能导致量子计算机的大量面世

据美国Physorg网2006年7月6日报道，美国国家标准与技术研究院的物理学家们设计并 制成了一种新型电磁离子阱，这种离子阱能够不费力地大批量生产，可能会使量子计算机体积足够大，并投入应用成为现实。6月30日的《物理评论快报》期刊上 报道了这一新型离子阱，它可以帮助科学家们克服目前在量子计算机研究上最大的障碍——将目前已经验证成功的各个部件与过程整体放大并加以运用。

　　 量子计算机利用的是物质与光线中最小的粒子所具有的非正常行为。它们有同时进行海量数字运算的理论能力，有潜力以远远超过传统计算机的速度解决某些问题，例如破解数据、加密密码或者在大型数据库中进行搜索等。

　　 离子(带电子)是在量子计算机中量子位(qubits)应用的理想选择。美国国家标准与技术研究院是世界各地试验离子位的18个研究小组之一，已经初步证明了量子计算机的所有基础组成部分，包括错误纠正等主要过程，同时提出制造结构规模更大的量子计算机的设想。

　　 新型离子阱是第一个实现所有电极都在一个水平层面上排列的功能性离子阱，与之前需要两或三层电极的离子阱相比，这种“芯片式”的排列更加容易制造，而且完全采用标准的微加工技术生产，它的黄金电极能够将离子限制在电极上面的40微米左右。

　　 美国国家标准与技术研究院的科学家们报告称，他们所研究出的单层离子阱能够捕捉十二个镁离子却不会从电极电压的波动中产生过多的热量—— 这也是一个重要的因素，因为发热问题已经限制了之前小型阱的发展前景。微型阱之所以较受欢迎是因为阱的体积越小，计算机的速度就越快。美国国家标准与技术 研究院仍然在继续进行研究并且与产业以及联邦实验室合作来制造结构更加复杂的单层阱，最终实现利用大概10到15个离子在激光的控制下进行逻辑运算。

　　 美国国家标准与技术研究院的量子信息研究：目标与远景

　　 美国未来的繁荣与安全在某种程度上可能需要依靠自然界中一些最小的粒子所具有的奇异性质。对量子信息(QI)进行的研究旨在寻求控制与开 发这些奇异性质，以便在科学以及社会方面加以利用。这一非凡的领域结合了物理学、信息科学以及数学，研究设计出纳米技术以取得今天的技术所无法想象的成 就。量子信息研究者已经发明出了超级安全的加密技术，设计了无法破解的密码，他们有一天将制造出量子计算机，能够在几秒钟内解决今天最好的超级计算机花费 几年的时间也无法破解的问题。在21世纪，量子信息将蓬勃发展并加强美国的经济与国防能力，其影响有如20世纪激光与晶体管带来的进步。

　　 世界各国认识到了量子信息研究对经济与安全所带来的影响，并且开始对其投入大量的资金。美国在这一领域的主力军就是美国国家标准与技术研究院，在所有的联邦机构中，它拥有规模最大的内部量子信息研究计划。

　　 美国国家标准与技术研究院的试验室的任务通常是：为推广那些具有改变未来潜力的新兴领域所带来的创新开发各种测量办法与标准。几乎没有任 何领域比量子信息更加需要这种支持，它不仅可能带来全新的信息处理概念，并且还涉及精确地控制各个原子、极小量的光线以及强度比灯泡中弱十亿倍的电流等等 的复杂硬件以及其他量子系统。因此，美国国家标准与技术研究院通过技术验证、新方法的开发、量子信息系统组件的评估测试以及其他相关科学发现，已经拥有了 发展量子信息所需的一流的技术与设施。

　　 美国国家标准与技术研究院首次开始量子信息研究是在上个世纪90年代初，当时物理学家大卫•温兰德与其同事发现对量子状态进行的研究将会 带来更加准确的原子钟。几年后，温兰德证明了第一个量子逻辑运算，这对于利用离子来处理信息的量子计算机来说，是具有先驱意义的一步。1999年，该实验 室发起了一个更为浩大的量子信息计划，随后其研究院的信息技术实验室与电子电气工程实验室也加入其中。

　　 这一跨学科计划以电气工程学、数学以及计算机科学家之间的强大协作为特点，使美国国家标准与技术研究院成为世界上在量子信息研究计划方面 最为突出的机构之一。其参与者包括，该研究院的研究者以及总统等级奖金获得者温兰德1997年诺贝尔物理奖获得者物理学家威廉姆D•飞利浦、量子信息理论 学家兼数学家伊南缪尔•科尼尔、总统青年科学家与工程成就奖获得者物理学家萨乌南等。该研究院在美国盖瑟斯堡市与波尔得市两地三所不同的实验室共九个分部 参加了这一计划。

　　 美国国家标准与技术研究院在离子阱量子计算领域的研究得到了广泛的认可，被誉为世界上最为先进量子信息研究活动之一。研制该研究院量子通 讯试验床的科学家在2004年史无前例地创造了传输量子密码钥最快的系统，密码钥即破解信息所需的代码，由于量子物理学的奇异性，在无法察觉的情况下不可 能截止这种代码的传输。其他研究还包括单光子源、感应器以及中心原子与“人工原子”计算等，这些研究同样在世界范围内处于领先水平。例如，该研究院最近正 验证了一种效率高达88%的单个光子探测装置，这是量子信息研究的又一新纪录，推动了实用量子通讯的发展。

　　 在针对测量与标准的核心任务与其量子信息研究计划之间具有很强的协同关系。例如，该研究院的科学家在量子系统方面的专业知识大多数来自数 十年的原子钟研究工作中。美国国家标准与技术研究院的超精准原子喷泉钟(世界上测量时间最为准确的装置)就是以精确地操纵并测量铯原子中两个量子能量等级 为基础(2005年3月)，而且精准等级还在不断提高之中，其量子计算研究所获得的新技术未来很有可能会为人们带来精准度更高的原子钟。

最终，美国国家标准与技术研究院的量子信息科学测量、试验以及技术将帮助美国工业开发出更新的信息技术，以保证美国的技术领先地位以及国家安全防卫能力。 虽然美国目前可能在这一领域处于领先地位(部分是由美国国家标准与技术研究院所作出的贡献)，但是欧洲、日本、澳大利亚等国家以及中国等发展中国家也具有 十分强大的竞争力并且还在继续发展

潘建伟和他的六个世界首次

“他的工作对于一般人来说是难以理解的，不然会感到更强的震撼力”
　　潘建伟和他的六个世界首次
　　　　
　　□姚忆江
　　
　 　在短短几年里，中国科大的一个人数不多的研究小组竟然能够在世界顶级学术刊物发表36篇论文，对于高水平论文非常稀缺的中国科学界来说，是极为罕见的。 在当今中国，发表一两篇高质量、原创性的论文可能并不稀奇，但在竞争激烈的世界科学的前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点，是弥足珍贵的。而这个小组的领 军人物潘建伟教授今年才36岁。
　　
　　第六个“世界首次”
　　在刚刚过去的10月，中国科技大学潘建伟教授领导的小组成了首次在《自然·物理》杂志发表封面文章的中国科学家。在这项最新成果中，潘建伟和杨涛、张强等人首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输，并在实验中实现了对六光子纠缠态的操纵。
　　该项成果是“在大尺度量子通信研究中取得的长足进展。”《自然》杂志网站称赞道。“这是为装备量子效应在通讯和计算中的应用提供了新的方法。这种量子态隐形传输技术在将来的某一天使得强大的量子计算机成为可能。”
　　这是潘建伟小组在量子通信领域内取得的第六个“世界首次”。
　　“他的工作对于一般人来说是难以理解的，不然会感到更强的震撼力。”中国科技大学校长朱清时院士介绍说，潘建伟教授进行着最前沿、最具原创性的基础研究，研究每年都有突破，显示出很强的创新能力。
　 　“现在为了对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机只需大约几分钟。人们一旦拥有了一台量子计算 机，目前的密码系统将很快破解，毫无保密性可言！”中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授陈增兵的话语中充满了自信。
　　量子信息专家郭光灿院士则指出，量子通信在未来的国家信息安全方面具有重要意义，谁掌握了这个手段，谁就掌握了先机。
　　
　　弥足珍贵的领先
　　在国内学术界对量子通信领域的研究还很陌生的时候，1999年，潘建伟有关实现未知量子态的远程输送的研究成果，同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果，一起被著名的《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。那一年，他才29岁。
　　近几年来，潘建伟和他的研究小组的多个“世界首次”让世界同行感到惊奇。2004年，当潘建伟、杨涛等人关于“五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输”的论文发表后，研究成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会的年度十大进展。
　 　数一数潘建伟发表的论文，就可以从侧面证明他在该领域具有的核心竞争力：《自然》杂志8篇，《自然·物理》杂志(封面)1篇，《物理评论快报》27篇， 均属于顶级的学术刊物。在短短几年里，一个人数不多的研究小组竟然能够在世界顶级学术刊物发表36篇论文，对于高水平论文稀缺的中国科学界来说，是极为罕 见的。这也说明，潘建伟小组在量子通讯领域的某一方面的确是具有世界领先水平的。在当今中国，发表一两篇高质量、原创性的论文可能并不稀奇，但在竞争激烈 的世界科学的前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点，是弥足珍贵的。
　　2005年潘建伟还荣幸地被综述杂志《现代物理评论》(影响因子高于《自然》)邀请撰写综述文章，这是我国实验物理学家在《现代物理评论》上撰写的第一篇文章。能够被邀请在如此权威的学术杂志上撰写综述文章，意味着作者该领域所享有的声望与权威性。
　 　潘建伟的合作伙伴陈增兵教授还告诉记者一个小秘密：现在他们刚进行了操纵六个光子(小的量子计算机)进行量子计算的实验，这个研究进展还没有公开发表。 与五光子纠缠相比，六光子纠缠的实验难度是呈指数增长的。如果这一实验结果公布，将成为潘建伟和他的团队的第七个“世界首次”，也必将令世界量子信息研究 同行为之侧目。
　　
　　不怕输的精神
　　取得这一连串骄人成绩的潘建伟今年才36岁，个头不高，给人一种亲切、质朴的印象。记者与他不期而遇，是他在北京参加完第六届“中国青年科学家奖”颁奖仪式回到中国科技大学的第二天。
　　1970年3月出生在浙江东阳的潘建伟，从小却是个爱玩的孩子。他曾对别人说，父母从小就很重视对他能力的培养，从不限制他做什么，他可以做自己感兴趣的事。
　 　“感谢我的父母把家搬到了县城，因为到了初中，才发现在农村小学语文基础很差，英语根本就没有学过，初中后才第一次写作文，结果班主任老师只给了40 分，当时我是班长，觉得很羞愧。但我有一种不怕输的精神，为了把英语学好，把同学约到家里来学，向老师请教，进步非常快。语文、英语就在那时打下了基 础。”潘建伟说。
　　到了中国科技大学，他更有机会接受全面的教育。“当时班上高考状元就有7个，同学们的素质都很高，我从同学们那里学到了很多，对音乐的浓厚兴趣，就是受大学同学的影响。全面发展对我的人生起了很大的作用。”
　　他很擅于向别人学习，同时保持着良好的心态。他认为，做自己喜欢的事是需要有耐心的，欲速则不达。“我愿意循序渐进地学习、工作。成功了，当然很高兴；不成功，也不觉得失去了什么。我一直很努力，但不拼着命学。”
　　潘建伟是爱因斯坦的崇拜者，在大学时就喜欢阅读《爱因斯坦文集》。“爱因斯坦的散文是最深刻、最美的，让我坚定了研究物理的决心。让我感觉从简单的事实后面可以找到一个规律，现在、将来不会变。”
　 　1987年至1995年，在获得中国科技大学理论物理学士和硕士学位后，潘建伟于1996年来到奥地利维也纳大学攻读博士学位，导师是量子力学的世界级 大师塞林格。他从老师那里不断地获取量子信息前沿领域的最新知识，同时，潘建伟敏锐地洞察到这一学科未来必有大的发展，便及时追踪国际前沿，走出了自己的 研究道路。
　　
　　“幽灵般的相互作用”
　　量子纠缠，被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”，现在科学家用真实的实验证实了爱因斯坦的想象。为了认识和促进光子之间纠缠状态，潘建伟同国内及德国、奥地利专家合作，对这一世界性难题研究了近十年。
　 　郭光灿院士对量子纠缠概念做了如下的描述：量子纠缠是光子间的神秘的联系，奇妙在其中的一个光子经过测量就可以了解另外一个光子的状态；光子纠缠是一个 整体，两个光子作为一个整体来看时如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息，你将任何信息都得不到。这是另外一个特性，这就是其保密安全性所在。
　　但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声，“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低，导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上。
　 　2005年，当潘建伟与杨涛、彭承志等同事们发表了题为“13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信”的研究论文后，13公里 ———这个目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，其纠缠的特性仍然能够保持的实验结果，让人们开始思考实现全球化的量子通信的可能性。
　　
　　一个年轻、成功的团队
　　2001年起，潘建伟在中国科技大学负责组建了量子物理和量子信息实验室，该实验室现在已经成为筹建中的合肥微尺度物质国家实验室的重要组成部分。“中国科技大学很早就比较重视量子信息研究，因为有学校的支持，我们才能够深入做下去。”
　　回忆2001年实验室组建之初的情景，潘建伟至今记忆犹新。“当时申请的经费是200万元，而中科院基础科学局拨了400万元，在中科院基础科学局、国家基金委支持下，让我们从无到有，很快，设备、人员就到位了。”
　 　潘建伟和他的团队成员都是30岁左右的青年学者，1969年出生的杨涛教授是年龄最大的一位，杨涛教授介绍说：“五个教授虽然学科背景不同，但大家在一 起工作很愉快。潘建伟在理论和实验领域都有研究，我的学科是电子学，陈增兵、郁司夏偏重于理论，杜江峰研究核磁共振和量子博弈，我们的知识是互补的，在学 科交叉中才有新的生长点。”
　　量子物理与量子信息研究部有5个教授，1个副教授，2个博士后，2个博士，培养的硕士、博士生30个。研究部在微 尺度物质国家实验室中是人数最少的一个，而团队合作却是充满活力和高效的：2001年开始组建，2002年就有成果，到2003年的时候，在量子通信领域 实验研究已经有了很大进展。
　　在团队里，潘建伟是一个出色的领导者和组织者。他的同事陈增兵教授说，潘建伟很有激情，很会鼓励大家愉快地工作。作为一位领军人物，他的眼光独到，具有前瞻性。
　　陆朝阳是潘建伟的博士生。在他眼里，潘老师和蔼、亲切，第一次见面就留下了深刻的印象。“我本来没有报他的研究生，和他交谈以后，我就修改了志愿。在这个团队最大的收获，是学会了如何做科研。”
　 　“我从来不限制他们，关键是激发并培养他们对研究问题的兴趣。这些学生都要送到国外去学习一段时间，从事一项事业，必须依靠团队的力量。”潘建伟了解国 际量子通信的研究动向，积极推荐自己的学生到国外最领先的研究小组学习，潘建伟刚毕业的博士张强现在已经到斯坦福大学深造，陆朝阳也将不久前往英国剑桥大 学，国外的研究小组都很乐意接纳他的学生。
　　良好的科研气氛，先进的设备，与国际前沿小组联系紧密，加上明确的目标和坚定的决心，年轻的潘建伟带领着年轻的团队，将我国多粒子纠缠态实验研究带入了国际领先水平。
　　
　　女儿是最得意的成果
　 　潘建伟的号召力，在中学时就体现出来了。高中毕业那年，喜欢探险的他鼓动了5个男生、4个女生骑车一起去雁荡山旅行。他们每人兜里只有10多元钱，每到 晚上，他就拿着学校开的介绍信到当地学校请求住宿。对潘建伟来说，这5天的探险经历是非常开心和愉快的。同他一起探险的，有一位名叫楼小青的女同学，经常 受到潘建伟的关心和照顾，后来，她成了潘建伟的终身伴侣。
　　楼小青一直默默支持他的事业，并随着丈夫科学探险的脚步到世界各地奔波。后来，楼小 青还放弃在奥地利的经济学博士学位，成为专注于家庭的主妇。现在，他们有了一个2岁女儿，小名叫嘟嘟。潘建伟笑着说：“小孩是我最得意的成果，她什么时候 长牙，什么时候走路，都是我关心的。”对他来说，一份自己热爱的事业，一个和睦的家庭，是同样重要的。
　　在德国海德堡，他经常到田野里散步，当发现山地里有野荠菜，他又像学生时代那样，一定要捡拾荠菜回来吃。记者发现，他是以自己特有的方式，为自己做一次心灵的放松、心灵的自由。放松之后，他又以饱满的精神投入到工作和学习中了。
　　
　　整体发展才是最重要的
　　基于在未来20年内量子通信会有大规模运用，现在美国、欧盟、日本都非常重视这一领域。
　　郭光灿院士说，“在原创性研究领域，第二都是失败！中国人要在科学研究上争第一。从整体上讲，我国量子通信研究处于部分领先，整体发展才是学科建设最重要的因素。如果有更多的人多做一些事，经过10年、20年的努力，中国的国力就会有很大提高。”
　　量子信息研究正朝着量子密码、量子计算机、量子存储三个方向发展，目前潘建伟正在思考，如何让量子通信的整体研究能力得到提升。此时，在德国海德堡大学，潘建伟和国外同行进行着量子存储合作研究，因为进行量子通信研究，没有量子存储这个技术基础，研究将无法深入下去。
　 　“我到德国海德堡大学参与合作研究，是为了学习量子存储技术，在那里可以提高自己，在量子存储研究方面，海德堡大学是世界四个最高技术小组之一。三年的 合作研究，我们已经在量子信息存储研究方向上有了相当的技术积累。从明年开始，我的工作重心逐渐转移到国内，以期早日在国内完成量子信息传输技术和存储技 术的综合。”潘建伟教授说。
　　(P1186131)
　　
　　■相关

　　潘建伟小组的六个世界首次
　　
　　●1997－1998年，首次成功地实现了量子态隐形传送(1997)以及纠缠态交换(1998)；
　　●1999－2000年，首次成功实现三光子(1999)、四光子纠缠态(2001)，并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证(2000)；
　　●2003年，首次成功地实现了自由量子态的隐形传送；
　　●2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验；
　　●2004年，首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵；
　　●2006年，首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输，并在实验中第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操纵。
　　
　　■名词解释

　 　量子纠缠　量子纠缠是粒子间的神秘的联系，奇妙在其中的一个粒子经过测量就可以了解另外一个粒子的状态，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，即两个粒子 之间不论相距多远，它们是相互联系的；量子纠缠是两个(或多个)粒子的叠加态，这些粒子作为一个整体来看如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息，你将任何 信息都得不到。这是另外一个特性，这就是其保密安全性所在。
　　
　　量子隐形传输　量子隐形传输借助于两个粒子之间的纠缠作用，将待传输 粒子的未知量子态传送到另一个地方。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是 发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息，通过纠缠来传送。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完 全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子(甚至可以是与原物不相同的 粒子)处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。

DNA计算机可在液体中运行

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由美国哥伦比亚大学和新墨西哥州立大学共同研发了一种DNA电脑，它集成的是DNA，而不是硅芯片。这种电脑被命名为MAYA-II电脑，其意义与当年硅芯片诞生可比。

　　据《新科学家》10月19日报道，DNA计算机在运行速度方面虽然不能与硅计算机相提并论，但DNA计算机的优势在于，它可以在液体中进行运 行，比如在血液或身体里进行单个细胞样本的采集，以提高疾病诊断的正确性，并可以通过基于DNA计算的设备来准确地分辨出不同的病毒株，如禽流感。未来也 很有可能使用这种DNA电脑来植入人体，以便诊断并杀死癌细胞，或者通过发出胰岛素来对糖尿病进行监控和治疗。

　　如今，MAYA-II电脑已经能与人对玩井字游戏。在与电脑玩此游戏中，人必须在特定的点上开始游戏，且得让电脑先下。每台电脑有14-18 个DNA逻辑开关。当你走了一步时，电脑会通过DNA反应作出回答，其结果是一个方格上产生绿色荧光，这一方格就是电脑所选择的下一步。与DNA电脑玩游 戏得耐心点，因为它走一步得要2-30分钟。但你不能轻敌，免得当手下败将。

神奇的量子计算机

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当你在图书馆打开轻巧的笔记本电脑，启动它的每秒能够做20亿次运算的P4CPU的时候，可曾想到就在不到60年前，人类历史上第一台电子计算机ENIAC，每秒只能完成5000次运算，而且它还重达30吨，占地1千平方英尺，使用了1万8千个真空电子管﹑总长达800公里的电线！

不过这还不是足够让你吃惊的事情，因为我们已经习惯了每隔1年半，计算机的性能就翻一倍的令人眩晕的时代。不过，如果告诉你：其实你现在手上使用的超酷笔记本电脑的结构，跟那台超庞大的ENIAC一样！那是不是有点让人意外呢？

经典计算机为何经典

是的，60年过去了，计算机的结构本身并没有发生什么变化，无论是ENIAC还是你的P4电脑，都只是按部就班地处理一串由0和1组成的符号串，其中0和1分别用某种物理量的两种不同状态来表示，例如在硬盘上面，就是用“小磁针”的上下方向来表示01，而光盘上面，则是用有坑和没坑来表示。通过对它们做简单的运算，然后再输出一串由0和1组成的符号串，当然现代计算机只是能够把输出的0和1，转换为生动眩目的显示器图像。

所以计算机60年来的进步，就只是把10厘米长的真空电子管，用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。

那么未来的60年呢？我们还有机会得到如此迅猛的发展吗？如果只是继续推进这个缩小的进程，未来似乎是令人悲观的，因为我们在硅晶片上面的加工尺度已经达到了0.1微米的量级，再往细微的方向走，经典物理会逐渐失效，因为主宰微观世界的是量子物理，而所有为表示0和1而应用的物理现象都是属于经典物理，这意味着，我们不得不开始探讨应用量子物理原理来设计计算机的可能性。

设计计算机的一个基本前提，就是首先要找到一个合适的物理系统，使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。最简单的实现方式，当然就是只要能够表达两个状态就够了，例如一个开关，可以让“开”表示0，“关”表示1。对于经典物理系统，稳定的两个状态是很容易实现的，但是对于哪怕是最简单的量子物理系统，它除了能够表达0和1两种状态之外，还能够同时表达0或者1，只是表达0具有一定的概率，而表达1则具有相应的概率，这两个概率和为1。量子物理系统的这种特性是无法回避的，似乎为计算机的设计平添了麻烦。不过科学家们灵机一动，巧妙地利用量子物理系统有别于经典系统的这个独特性质，创造了量子计算机的崭新概念，从而宣告计算机的发展将彻底地告别过去60年一脉相承的结构，而开始量子计算机的新时代。

量子计算机的威力

经 典计算机和量子计算机最本质的差异来自对于物理系统的状态的描述，对于经典计算机来说，对一个字节的数据进行一步步的处理，每一个步骤都表示机器的一个明 确的状态，上一个步骤的输出作为下一个步骤的输入，前后相续，整个计算任务是在一条线上进行的；而对于量子计算机来说，系统的不同状态之间的变换，可以并 列存在多个途径，使得系统可以在多条路径上并行处理多个计算，这就使得计算机的计算能力获得了指数性的增强，从而开辟了计算机的崭新未来。

对 于量子物理系统来说，其状态的描述方式是由最基本的量子力学原理所规定的，尽管象爱因斯坦那样伟大的物理学家一直对量子力学的基本原理感觉不满意，但无数 的实验证实了这个主宰微观世界的基本原理是不可动摇的。而对于理论上威力无比的量子计算机的实验研究也表明，量子计算不是梦！

最早实际地揭示出量子计算的威力的是AT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特·休尔。他在1994年 设计了第一个适合于量子计算机使用的算法，专门用来对大数进行因子分解。大数的因子分解对于经典计算机来说，绝对是一个不可能任务，因此现代计算机的加密 算法，包括银行的密码系统，都是基于一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积这个论断的。皮特·休尔发现，如果使用量子计算机，再运用他提出的专用 算法，这个论断将不再成立。这意味着现代社会广泛使用的密码系统，将随着量子计算机的问世而作废。

1998年，在美国MIT和拉斯阿莫斯国家实验室的以拉夫雷门为首的一组科学家，运用液态核磁共振（NMR） 实现了量子计算，这个里程碑式的实验，成功地解决了量子计算的重大问题，即如何在读出计算结果的同时，不销毁系统其他的状态信息。因为根据量子力学基本原 理，任何对系统的测量，都将导致系统状态坍缩到一个状态上，从而丢失系统本来具有的其他状态的信息。为了解决这个难题，拉夫雷门通过间接的测量方法，使得 系统状态信息得到安全而完整的保留。

NMR量子计算实验的成功激发了世界范围的研究量子计算机的热潮，一方面人们希望在量子计算机的硬件实现上取得进步，另一方面则致力于设计更多的适宜于量子计算机的专用算法，以便有效发挥其威力。

目 前量子计算以及相关的量子通讯和量子信息领域，正在飞速的发展，因此这个领域也正在吸引越来越多的参与者，随着主要的障碍已经或正在被克服，似乎可以乐观 地估计，在不久的将来，量子计算机会突然出现在杂志插页广告当中，然后，又突然发觉现在我们使用的计算机都已经扔在阁楼的杂物堆里面好长时间了，因为，那 个时候，豁然已是量子计算机的时代了。