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。