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星期三, 一月 31, 2007

美国科学家在研制量子电线

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美国莱斯大学的斯马利(RICHARDSMALLEY)教授在全力研制一种世界上最新型的量子导线。

对这种量子导线研究最多的是美国莱斯大学的斯马利教授。他研制成功的15厘米长、由几十亿个碳纳米管拉成的细线,代表着将会使输电网出现全面改观的新型导线的第一步。这是一种用碳纳米管编织而成的导线,可高效传输电能。

斯马利领导的实验室目前正在从事一项4年计划,以研制基于碳纳米管的"量子导线"。由量子导线制成的电缆,其输电效果比铜导线要好得多。由于这种导线重量轻、且强度高,从而可让现有电线杆承受比铝电缆高10倍的输电量。斯马利称,量子导线至少能

具有现今超导体的功能,而又不需要高价冷却系统,原因在于:在纳米尺度,量子物理学的神秘特性占主导地位,导线能输运电流,且几乎没有电阻。

斯马利小组已制出了100米长、由大量碳纳米管构成的导线,但这种导线是150多种不同类型碳纳米管的混合物,因而限制了其导电率。最好的导线将仅由一种 碳纳米管构成。斯马利相信,在制造工艺过程开始时,增加一点单一品种纳米管,可能够催化大量相同纳米管的产生,其实就是"克隆"最初的纳米管。

据美国有线新闻报道,美国宇航局(NASA)在今后4年里打算投资1100万美元研究所谓的量子电缆,这种电缆将来计划应用于航天技术装备中。

预计量子电缆导电性能比铜电缆强10倍,而重量则比传统铜导线要轻。由赖斯大学科学家研制的量子电缆将由碳纳米管组成,在2010年前提供长度至少为1米的量子电缆原型。应该指出的是,目前用碳纳米管制成的"导线"长度不超过几厘米。

在研制顺利的情况下,量子电缆可以取代宇宙飞船中的普通铜导线,从而能降低宇宙飞船工的重量和增加有效负载质量。

除此之外,量子电缆还能在计算机技术和其他科学领域找到应用。不排除这样的可能性,赖斯大学科学家的研究成果可以加快太空电梯方案的实施,太空电梯建立在利用许多千米连接近地轨道空间站与海洋中巨型平台的超强电缆基础上。

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星期日, 一月 28, 2007

量子计算机的多世界解释

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  1992年,J.Horgan在《科学美国人》上发表了一篇题为“量子革命”的文章,其中说道:“虽然多世界解释长期以来被当做更像是科学幻想而不是科学本身而受到了冷淡的对待,但新近Gell-Mann和他的合作者以一种改进了的形式而使这一解释复活了。他们称呼其理论为多历史解释,并且强调那些历史只是‘潜在’的,而不是在物理上实现了的。据说Gell-Mann曾预言道,到20世纪末时,这种观点将在这一领域内占据支配的地位。”
实际上,盖尔曼(M. Gell-Mann)早在1979年就说过:“[量子力学]的一种适当的哲学描述竟被推迟了这么久的这一事实,无疑是由于玻尔对整整一代物理学家洗了脑(brainwashed),使他们以为这一任务早在50年前已经完成了的缘故。” 显然,在盖尔曼看来,从总体说来,玻尔对于量子力学的正确解释,不是起到积极促进的而是起到消极阻碍的作用。
盖尔曼在1994年出版了一本题目为《夸克和美洲豹》的书,该书第11章“量子力学的当代观”,讲的就是他所参与建立的量子力学新解释。而这一章的最后一句话又是这样写的:“我们在努力建构量子力学的诠释的目的,是想终止玻尔所说的时代。玻尔曾经说:‘如果一个人说他可以思考量子物理学而不会感到迷惑,这不过说明他一点也不懂量子物理学。’”按照盖尔曼在这一章里的叙述,量子力学的这种新解释继承了费恩曼(R.P.Feynman)创立的路径积分方法里,运用空间-时间中的历史来表述量子力学的做法;亦发扬了在H.Everett Ⅲ提出的多世界解释里,物理世界有多种可能选择的思想。
在费恩曼的路径积分方法里,作用量为S的系统,从初态到末态的跃迁振幅,等于对从初态到末态的所有可能路径的、以 为相位的某种相位因子之和。一方面,这种求和或者积分是在整个空间-时间中进行的,所以无疑是一种空时描述。事实上,1948年,费恩曼为此正式发表的第一篇文章取名为“非相对论性量子力学的空间-时间方法”,就鲜明地表示了他的这种立场。另一方面,费恩曼亦证明了,从他的路径积分可以推导出薛定谔方程,所以这也肯定是一种因果联系。其实,从路径积分可以直接算出跃迁振幅,不仅可以用来代替薛定谔方程的功效,而且在有些情况下(例如规范场论或者量子引力理论),表现出它的适用性比后者更加普遍。
回顾玻尔1927年在著名的《科莫演讲》里第一次讲到“互补”这个字眼时的原话是:“量子理论的本性使我们不得不把空时标示(space-time coordination)和因果要求(claim of causality)这两种作为不同经典理论表征的联合,看作是描述的互补而又互斥的两个特征,它们分别代表着观察和定义的理想化。”
由此可见,费恩曼创立的“路径积分”,实际上已经从根本上否定了玻尔关于对微观对象不可能同时给出空时标示和因果描述的“互补原理”。要注意的是,一方面,路径积分里的空时标示,当然不是经典力学里的空时标示。费恩曼讲的路径,也不是经典力学里的质点轨道。因为,经典轨道是在空间-时间中划出的一条确定不疑的轨迹,它本身就是理论计算的结果;而费恩曼的路径则只是一些可能的途径,计算中要对它们的全体进行求和(积分),将所有部分振幅叠加起来,所得到的总振幅才是真正的结果。另一方面,路径积分里的因果描述,当然也不是经典力学里的因果描述。因为,后者对应的是为坐标或者动量等具体物理量而设的牛顿运动方程,而前者对应的则是与其完全不同的、为前所未闻的概率幅而设的薛定谔方程。总之,费恩曼的路径积分,实质上是一种历史性的描写。不过,它描写的不是系统经历的一种真实的历史,而是各种可能历史的振幅的叠加。
1957年,Everett Ⅲ提出“相对态表述”,后来称为“多世界(many world)解释”。在这种解释里,为了调和系统演化的连续性和测量过程的突然跳跃这两个方面的矛盾,认为在某一测量结果实现的同时,也实现了其他所有可能的测量结果。因为,在这一瞬间,同原来状态对应的一个世界,分裂成多个同被测量变量的各个本征态相对应的那么多世界,每一个世界对应着一个可能的测量结果。在这里没有波函数的坍缩,而只有世界的分裂。每一个世界都是同样真实的。我们之所以看到某一个测量结果,是因为我们正好生活在同这一观察结果相对应的世界里。在其他的世界,对应着其他的测量结果,只不过我们看不到就是了。
多世界解释免除了经典物理学的观察装置和系统外部的观察者的需要,以便于处理整个宇宙的量子状态。但那种原则上不可观察的许多个其余宇宙的存在,亦引起了激烈的争论。后来,按照盖尔曼的做法,把“多世界”改造成“多种宇宙可选择的历史”,“即一个给定的系统可以有不同的历史,每一种宇宙历史有它自己的概率;没有必要使人们心神不安地去接受都具有相同真实性的多个‘平行的宇宙’。”这样就继承了多世界解释的合理内容。
量子力学新解释的主要思想,是在20世纪80年代中期开始的几年之内,分别由几组作者从不同的角度提出来的。.其中最早是R.B. Griffiths在1984年提出的“一致性历史解释”。按照L.E.B- allentine的介绍,这种解释“推广了对一些个别的可能事件的概率公式,以产生出由在一些不同时刻发生的可能事件所组成的选定序列的条件概率。为了界定能够指派一个概率的一种‘一致性历史’,可能事件的序列必须满足某些条件;这些条件在这一方程式里是清楚地确定了的,但却难以从直觉上把握。态函数所起的作用,不如在其他一些解释里那么突出,而且没有‘坍缩’的物理过程。在概念上不必区分系统中被观察的和进行观察的不同部分。”
另外两组独立的作者是R.Qmnès以及盖尔曼和他的合作者J.Hartle。现在已经弄清楚,这几位作者提出的解释,尽管起初出发考虑的角度有差别,在基本精神上却是相同的,这一点也得到了他们自己的认同。例如,Omnès在1995年是这样说的:“目前在一些地方研究着量子力学的一种新近的解释;它有几种不同的名称:一致性历史解释,退相干历史解释或者逻辑解释,并且已经使得量子力学的解释成为一种标准的演绎性理论。这种新解释同哥本哈根解释不同的关键之处在于,如今经典物理学的事态在动力学和逻辑学的两个方面,都完全由量子原理推导出来……新的解释在认识论方面的结论,与哥本哈根解释的结论相距甚远……”
他还说:“如果将新的解释同哥本哈根解释做比较,那么两者有多少特点就有多少不同之处”,“新的解释是一种标准理论,它有一些确定的假设,能够由此出发推演出一些结果;这一过程是每个人都可以自行核对的。这种解释不依赖于一位创始人的言谈,不管他有多么伟大。因而,对量子力学的解释就成为科学的一部分,而不再是一种学究式的议论。”“新的解释尚未受到充分的重视,看来其首要原因是,同哥本哈根解释的空泛议论比较起来,它含有更多的数学表达式和技术性内容。”
按照Zurek的观点,盖尔曼等人提出的新解释,是在多世界解释的基础之上,加进了三种关键性的机制:一个量子系统有多组可选择的粗粒历史的概念;在选定的一组历史内的退相干效应;趋向经典极限的近似决定性。
粗粒历史(cqarse-grained history)的意思是,一个量子系统有许多自由度,它们的全部对应着一种精粒历史(fine-grained history)。我们在前面讲的退相干效应里所涉及到的一个或者少数个观察量,只占了系统的一小部分自由度。在退相干效应的理论模型里,要对精粒历史里面所有没有涉及到的自由度求和。于是,我们所能见到的就只是一种粗粒历史。所谓可选择的历史,就是多种不同历史都有各自的实现概率的意思。按照盖尔曼的说明,精粒历史之间的干涉一般不会消失,因此得不到相应的概率描写。而通过退相干机制,可以使得粗粒历史之间的干涉项消失。或者说,是随机发生的涨落使历史产生分岔。那么,一系列由于退相干效应而先后选择了的粗粒历史,就构成了系统的一组“退相干历史”。原则上别样的历史也有一定的发生的概率,但我们观察到的只是其中的一种。
大家知道,量子力学的哥本哈根解释的主要对立面,是主张量子力学的理论预言一般只是对多次重复的观察结果而言的统计解释或者叫做系综解释。盖尔曼认为,从新的观点看来,那种统计解释并没有错,但是它依赖于一位外部的观察者,所以其适用范围受到了限制,他建议把那种解释称为“被测系统的量子力学近似”。新的解释则能够描述整个宇宙的量子态,或者“多种宇宙可选择的历史”。
总之,按照这种新的解释,普天之下只有一部物理学,它就是统一地描述了宏观世界和微观世界的量子力学。量子力学的概念和定律是全部物理学的基础,由此可以导出经典物理学的概念和定律。在这里完全不需要使用什么普朗克常数h→0或者能级量子数n→∞的“极限”近似,起到关键作用的就是退相干效应。

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美五角大楼Darpa主管对量子计算前景表示怀疑

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  美国五角大楼所属的Darpa(国防先进研究项目局)微系统技术办公室主任Robert Leheny在Hot Chips研讨会上发表主题演讲,对量子计算的前景表示怀疑,并谈及数字CMOS的未来,及其新材料和微机电系统(MEMS)。

   Leheny评论道:“量子计算有一流的计算能力。它们所做的是建立一个方程,让量子器件花费时间来解决。但那是模拟计算机,具有模拟计算机存在的所有 问题。” Leheny继续说,“你可能观察到通过电容器的电流几乎是一个完美的积分。但你如何用它解决N阶差分方程?模拟计算机总是存在的定标问题,量 子计算也同样存在。”

  Leheny表示,自组装概念经常被引用为纳米级系统的一大优势。“但它不足为奇。如果你认为当今的IC不是自组装,你就不会注意到IC制造的本质。而且你可以打赌,我们越靠近IC加工的物理极限,我们就能发现用于自组装的化学工艺发挥了更大的作用。”

   Leheny指出,SiGe和InP材料在高频处理能力远远优于传统的硅材。现今,由于SiGe器件定标能力远超InP器件,SiGe具备了明显的优 势。eheny预计,光学领域将会取得两大进展。一个是VCSEL的加工成本已接近LED的成本,允许设计师在系统级芯片上进行大量加工。这为互连技术开 辟了崭新的大道。

  Leheny表示,MEMS结构射频振荡能力和电调谐能力使可调MEMS RF滤波器的出现成为可能。此外是MEMS和光学之间的交感作用。他提出,完全模拟雷达所用技术的合成光圈技术能被用于从IC上的微小化合物透镜上提取高分辨率图像。

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星期五, 一月 19, 2007

量子物理

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尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的,但它对我们日常生活的影响无比巨大。没有量子力学作为工具,就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言,因为作为量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时,光子学的革命也将我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世界,科学革命为这个世界带来了的福音,也带来了潜在的威胁。

  量子力学既不象广义相对论那样来自于对引力与几何关系的光辉洞察力,也不象DNA的破译那样揭开了生物学一个新的世界的神秘面纱,它的起源不是一步到位的,是历史上少有的天才荟萃在一起共同创造了它。量子的概念如此的令人困惑以至于在引入它以后的20年中几乎没有什么根本性的进展,后来一小撮物理学家花了三年时间创立了量子力学。这些科学家为自己所做的事情所困扰,甚至有时对自己的所作所为感到失望。

  或许用下面的一段观察资料能最好地描述这个至关重要但又难以捉摸的理论的独特地位:量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论,是科学史上最成功的理论。量子力学深深地困扰了它的创立者,然而,直到它本质上被表述成通用形式75年后的今天,一些科学界的精英们尽管承认它强大的威力,却仍然对它的基础和基本阐释不满意。

  今年是马克斯·普朗克(Max Planck)提出量子概念100周年。在他关于热辐射的经典论文中,普朗克假定振动系统的总能量不能连续改变,而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了,普朗克后来将它搁置下来。随后,爱因斯坦在1905年(这一年对他来说是非凡的一年)认识到光量子化的潜在意义。不过量子的观念太离奇了,后来几乎没有根本性的进展。现代量子理论的创立则是斩新的一代物理学家花了20多年时间的结晶。

  您只要看一下量子理论诞生以前的物理学就能体会到量子物理的革命性影响。1890年到1900年间的物理期刊论文基本上是关于原子光谱和物质其他一些基本的可以测量的属性的文章,如粘性、弹性、电导率、热导率、膨胀系数、折射系数以及热弹性系数等。由于维多利亚型的工作机制和精巧的实验方法的发展的刺激,知识以巨大的速度累积。

  然而,在同时代人看来最显著的事情是对于物质属性的简明描述基本上是经验性的。成千上万页的光谱数据罗列了大量元素波长的精确值,但是谁都不知光谱线为何会出现,更不知道它们所传递的信息。对热导率和电导率的模型解释仅符合大约半数的事实。虽有不计其数的经验定律,但都很难令人满意。比如说,Dulong-Petit定律建立了比热和物质的原子重量的简单关系,但是它有时好使,有时不好使。在多数情况下同体积气体的质量比满足简单的整数关系。元素周期表尽管为化学的繁荣提供了关键的组织规则,但也无任何理论基础。

  在众多的伟大的革命性进展中,量子力学提供了一种定量的物质理论。现在,我们原则上可以理解原子结构的每一个细节;周期表也能简单自然地加以解释;巨额的光谱排列也纳入了一个优雅的理论框架。量子力学为定量的理解分子,流体和固体,导体和半导体提供了便利。它能解释诸如超流体和超导体等怪异现象,能解释诸如中子星和玻色-爱因斯坦凝聚(在这种现象里气体中所有原子的行为象一个单一的超大原子)等奇异的物质聚集形式。量子力学为所有的科学分支和每一项高技术提供了关键的工具。

  量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次的物质理论:量子力学;正是它我们才能理解和操纵物质世界。另一个是量子场论,它在科学中起到一个完全不同的作用,稍后我们再回到它上面来。

旧量子论

  量子革命的导火线不是对物质的研究,而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体(即某种热的物体)辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象:热的物体发光,越热发出的光越明亮。光谱的范围很广,当温度升高时,光谱的峰值从红线向黄线移动,然后又向蓝线移动(这些不是我们能直接看见的)。

  结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释,不过所有的尝试均以失败告终。然而,普朗克假定振动电子辐射的光的能量是量子化的,从而得到一个表达式,与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到,理论本身是很荒唐的,就像他后来所说的那样:“量子化只不过是一个走投无路的做法”。

  普朗克将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上,如果没有新秀阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein),量子物理恐怕要至此结束。1905年,他毫不犹豫的断定:如果振子的能量是量子化的,那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管麦克斯韦理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性,爱因斯坦的理论还是蕴含了光的粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收,这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点,这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一,它成为接下来20年中理论上的难题。

  辐射难题促成了通往量子理论的第一步,物质悖论则促成了第二步。众所周知,原子包含正负两种电荷的粒子,异号电荷相互吸引。根据电磁理论,正负电荷彼此将螺旋式的靠近,辐射出光谱范围宽广的光,直到原子坍塌为止。

  接着,又是一个新秀尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)迈出了决定性的一步。1913年,玻尔提出了一个激进的假设:原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上,电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量,同时辐射出一定波长的光,光的波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设,玻尔扫清了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾,但是为氢原子光谱提供了定量的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力,他聚集了一批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了 12年时间终于实现了他的梦想。

  开始时,发展玻尔量子论(习惯上称为旧量子论)的尝试遭受了 一次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。

量子力学史

  1923年路易·德布罗意(Louis de Broglie)在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来:动量越大,波长越短。这是一个引人入胜的想法,但没有人知道粒子的波动性意味着什么,也不知道它与原子结构有何联系。然而德布罗意的假设是一个重要的前凑,很多事情就要发生了。

  1924年夏天,出现了又一个前凑。萨地扬德拉·N·玻色(Satyendra N. Bose)提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。他把光看作一种无(静)质量的粒子(现称为光子)组成的气体,这种气体不遵循经典的玻耳兹曼统计规律,而遵循一种建立在粒子不可区分的性质(即全同性)上的一种新的统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律,即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而,在通常情况下新老理论将预测到原子气体相同的行为。爱因斯坦在这方面再无兴趣,因此这些结果也被搁置了10多年。然而,它的关键思想——粒子的全同性,是极其重要的。  突然,一系列事件纷至沓来,最后导致一场科学革命。从1925年元月到1928年元月:

· 沃尔夫刚·泡利(Wolfgang Pauli)提出了不相容原理,为周期表奠定了理论基础。

· 韦纳·海森堡(Werner Heisenberg)、马克斯·玻恩(Max Born)和帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)提出了量子力学的第一个版本,矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电子的运动这一历史目标。

· 埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)提出了量子力学的第二种形式,波动力学。在波动力学中,体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌似矛盾,实质上是等价的。

· 电子被证明遵循一种新的统计规律,费米-狄拉克统计。人们进一步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计,要么遵循玻色-爱因斯坦统计,这两类粒子的基本属性很不相同。

· 海森堡阐明测不准原理。

· 保尔·A·M·狄拉克(Paul A. M. Dirac)提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋并且预测了反物质。

· 狄拉克提出电磁场的量子描述,建立了量子场论的基础。

· 玻尔提出互补原理(一个哲学原理),试图解释量子理论中一些明显的矛盾,特别是波粒二象性。

  量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年,泡利25岁,海森堡和恩里克·费米(Enrico Fermi)24岁,狄拉克和约当23岁。薛定谔是一个大器晚成者,36岁。玻恩和玻尔年龄稍大一些,值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性:他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键的观念,他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项贡献,也是对物理学的最后一项重要贡献。

  创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶,开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说,玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的。开尔文认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑。

  1928年,革命结束,量子力学的基础本质上已经建立好了。后来,Abraham Pais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其中有一段是这样的,1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了电子自旋的概念,玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹(Hendrik A. Lorentz)的50岁生日庆典,泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法;玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说,自旋这一提议是“非常,非常有趣的”。后来,爱因斯坦和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见,但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中,遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时,海森堡和约当接站并询问他的意见,泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。

  量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有:1927年海森堡得到了氦原子薛定谔方程的近似解,建立了原子结构理论的基础; John Slater,Douglas Rayner Hartree, 和Vladimir Fock随后又提出了原子结构的一般计算技巧;Fritz London和Walter Heitler解决了氢分子的结构,在此基础上,Linus Pauling建立了理论化学;Arnold Sommerfeld和泡利建立了金属电子理论的基础,Felix Bloch创立了能带结构理论;海森堡解释了铁磁性的起因。1928年George Gamow解释了α放射性衰变的随机本性之谜,他表明α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。随后几年中,Hans Bethe建立了核物理的基础并解释了恒星的能量来源。随着这些进展,原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物理的时代。

量子力学要点

  伴随着这些进展,围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。玻尔和海森堡是倡导者的重要成员,他们信奉新理论,爱因斯坦和薛定谔则对新理论不满意。要理解这些混乱的原因,必须掌握量子理论的关键特征,总结如下。(为了简明,我们只描述薛定谔的波动力学。)

  基本描述:波函数。系统的行为用薛定谔方程描述,方程的解称为波函数。系统的完整信息用它的波函数表述,通过波函数可以计算任意可观察量的可能值。在空间给定体积内找到一个电子的概率正比于波函数幅值的平方,因此,粒子的位置分布在波函数所在的体积内。粒子的动量依赖于波函数的斜率,波函数越陡,动量越大。斜率是变化的,因此动量也是分布的。这样,有必要放弃位移和速度能确定到任意精度的经典图象,而采纳一种模糊的概率图象,这也是量子力学的核心。

  对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果,相反,结果分散在波函数描述的范围内,因此,电子特定的位置和动量没有意义。这可由测不准原理表述如下:要使粒子位置测得精确,波函数必须是尖峰型的,然而,尖峰必有很陡的斜率,因此动量就分布在很大的范围内;相反,若动量有很小的分布,波函数的斜率必很小,因而波函数分布于大范围内,这样粒子的位置就更加不确定了。

  波的干涉。波相加还是相减取决于它们的相位,振幅同相时相加,反相时相减。当波沿着几条路径从波源到达接收器,比如光的双缝干涉,一般会产生干涉图样。粒子遵循波动方程,必有类似的行为,如电子衍射。至此,类推似乎是合理的,除非要考察波的本性。波通常认为是媒质中的一种扰动,然而量子力学中没有媒质,从某中意义上说根本就没有波,波函数本质上只是我们对系统信息的一种陈述。

  对称性和全同性。氦原子由两个电子围绕一个核运动而构成。氦原子的波函数描述了每一个电子的位置,然而没有办法区分哪个电子究竟是哪个电子,因此,电子交换后看不出体系有何变化,也就是说在给定位置找到电子的概率不变。由于概率依赖于波函数的幅值的平方,因而粒子交换后体系的波函数与原始波函数的关系只可能是下面的一种:要么与原波函数相同,要么改变符号,即乘以-1。到底取谁呢?

  量子力学令人惊诧的一个发现是电子的波函数对于电子交换变号。其结果是戏剧性的,两个电子处于相同的量子态,其波函数相反,因此总波函数为零,也就是说两个电子处于同一状态的概率为0,此即泡利不相容原理。所有半整数自旋的粒子(包括电子)都遵循这一原理,并称为费米子。自旋为整数的粒子(包括光子)的波函数对于交换不变号,称为玻色子。电子是费米子,因而在原子中分层排列;光由玻色子组成,所以激光光线呈现超强度的光束(本质上是一个量子态)。最近,气体原子被冷却到量子状态而形成玻色-爱因斯坦凝聚,这时体系可发射超强物质束,形成原子激光。

  这一观念仅对全同粒子适用,因为不同粒子交换后波函数显然不同。因此仅当粒子体系是全同粒子时才显示出玻色子或费米子的行为。同样的粒子是绝对相同的,这是量子力学最神秘的侧面之一,量子场论的成就将对此作出解释。

争议与混乱

  量子力学意味着什么?波函数到底是什么?测量是什么意思?这些问题在早期都激烈争论过。直到1930年,玻尔和他的同事或多或少地提出了量子力学的标准阐释,即哥本哈根阐释;其关键要点是通过玻尔的互补原理对物质和事件进行概率描述,调和物质波粒二象性的矛盾。爱因斯坦不接受量子理论,他一直就量子力学的基本原理同玻尔争论,直至1955年去世。

  关于量子力学争论的焦点是:究竟是波函数包含了体系的所有信息,还是有隐含的因素(隐变量)决定了特定测量的结果。60年代中期约翰·S·贝尔(John S. Bell)证明,如果存在隐变量,那么实验观察到的概率应该在一个特定的界限之下,此即贝尔不等式。多数小组的实验结果与贝尔不等式相悖,他们的数据断然否定了隐变量存在的可能性。这样,大多数科学家对量子力学的正确性不再怀疑了。

  然而,由于量子理论神奇的魔力,它的本质仍然吸引着人们的注意力。量子体系的古怪性质起因于所谓的纠缠态,简单说来,量子体系(如原子)不仅能处于一系列的定态,也可以处于它们的叠加态。测量处于叠加态原子的某种性质(如能量),一般说来,有时得到这一个值,有时得到另一个值。至此还没有出现任何古怪。

  但是可以构造处于纠缠态的双原子体系,使得两个原子共有相同的性质。当这两个原子分开后,一个原子的信息被另一个共享(或者说是纠缠)。这一行为只有量子力学的语言才能解释。这个效应太不可思议以至于只有少数活跃的理论和实验机构在集中精力研究它,论题并不限于原理的研究,而是纠缠态的用途;纠缠态已经应用于量子信息系统,也成为量子计算机的基础。

二次革命

  在20年代中期创立量子力学的狂热年代里,也在进行着另一场革命,量子物理的另一个分支——量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾雨般一挥而就,量子场论的创立经历了一段曲折的历史,一直延续到今天。尽管量子场论是困难的,但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的,同时,它也为一些重要的理论领域的探索提供了范例。

  激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916年,爱因斯坦研究了这一过程,并称其为自发辐射,但他无法计算自发辐射系数。解决这个问题需要发展电磁场(即光)的相对论量子理论。量子力学是解释物质的理论,而量子场论正如其名,是研究场的理论,不仅是电磁场,还有后来发现的其它场。

  1925年,玻恩,海森堡和约当发表了光的量子场论的初步想法,但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家狄拉克于1926年独自提出的场论。狄拉克的理论有很多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测出无限大量,并且显然和对应原理矛盾。

  40年代晚期,量子场论出现了新的进展,理查德·费曼(Richard Feynman),朱利安·施温格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Sinitiro Tomonaga)提出了量子电动力学(缩写为QED)。他们通过重整化的办法回避无穷大量,其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复杂,无法找到精确解,所以通常用级数来得到近似解,不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小,但是总结果在某项后开始增大,以至于近似过程失败。尽管存在这一危险,QED仍被列入物理学史上最成功的理论之一,用它预测电子和磁场的作用强度与实验可靠值仅差2/1,000,000,000,000。

  尽管QED取得了超凡的成功,它仍然充满谜团。对于虚空空间(真空),理论似乎提供了荒谬的看法,它表明真空不空,它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键,并且,它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可测量的变化。虽然QED是古怪的,但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。

  对于我们周围的低能世界,量子力学已足够精确,但对于高能世界,相对论效应作用显著,需要更全面的处理办法,量子场论的创立调和了量子力学和狭义相对论的矛盾。

  量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子,它们的性质与内禀自旋有何关系;它能描述粒子(包括光子,电子,正电子即反电子)是怎样产生和湮灭的;它解释了量子力学中神秘的全同性,全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场;它不仅解释了电子,还解释了μ子,τ子及其反粒子等轻子。

  QED是一个关于轻子的理论,它不能描述被称为强子的复杂粒子,它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子,提出了一个比QED更一般的理论,称为量子色动力学(QCD)。QED和QCD之间存在很多类似:电子是原子的组成要素,夸克是强子的组成要素;在QED中,光子是传递带电粒子之间作用的媒介,在QCD中,胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管QED和QCD之间存在很多对应点,它们仍有重大的区别。与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被幽禁在强子内部,它们不能被解放出来孤立存在。

  QED和QCD构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验,然而许多物理学家认为它是不完备的,因为粒子的质量,电荷以及其它属性的数据还要来自实验;一个理想的理论应该能给出这一切。

  今天,寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点,使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子,其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述,半个世纪的努力表明, QED的杰作——电磁场的量子化程序对于引力场失效。问题是严重的,因为如果广义相对论和量子力学都成立的话,它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛盾,因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略,经典描述足够完美;但对于黑洞这样引力非常强的体系,我们没有可靠的办法预测其量子行为。

  一个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验性的;20世纪,量子力学给我们提供了一个物质和场的理论,它改变了我们的世界;展望21世纪,量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论;然而,今日物理学与1900 年的物理学有很大的共同点:它仍旧保留了基本的经验性,我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性,仍然需要测量它们。

  或许,超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论,它是量子场论的推广,通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何如,从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从现在开始的一个世纪,不断地追寻这个梦,其结果将使我们所有的想象成为现实。

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量子电脑带来全新生活 杯子能上网轮胎会测速

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如果有人告诉你,未来的计算机看起来可能更像放在现有计算机旁边的咖啡杯,你会相信吗?不信也不行。最近,美国科学家表示,“量子”造的未来计算机的确可以做得“奇形怪状”,它们将给人类带来全新的生活。

  “量子比特”能计算

  去年12月20日,美国IBM公司宣布该公司的阿尔美登研究所成功地进行了量子计算机的复杂运算。IBM的科学家将专门设计的多个分子放在试管内作为7个量子比特(bit),量子计算机进行“绍氏算法”运算后,准确得出整数15的因数为3和5。

  专家介绍说,比特是用来表示计算机内存的一个单位。现有计算机的所有操作,归根结底是电路之间互相执行“开”和“关”的过程,我们称这样的一个过程为“比特”。当比特处于关闭的状态时,它的值为0,打开的状态下数值为1,电脑根据这个进行计算。

  量子计算机则根据原子或原子核所具有的量子学特性来工作。它们也可以表示成“比特”:比如光子的极化状态和原子的自旋等来表示0和1,这时,粒子称之为“量子比特”。当原子或原子核也能呈现出清晰明确的0或1状态时,量子计算机也能开始运算了。

  “量子”电脑不怕死机

  科学家表示,量子计算机与传统计算机在外形上有较大的差异:它没有传统计算机的盒式外壳,看起来像是一个被其他物质包围的巨大磁场;它不能像现在计算机那样利用硬盘实现信息的长期存储。但它自身拥有独特的优点——

  首先,量子计算机处理数据不像传统计算机那样分步进行,而是同时完成,这样就节省了时间,更适于大规模的数据计算。其次,量子计算机的问世可以解决困扰传统计算机微型化、集成化难题。最后,量子计算机不怕“死机”——当其系统的某部分发生故障时,输入的原始数据会自动绕过该部分,进入系统的正确部分进行正常运算。

  奇形怪状功能强大

  尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段,但不可否认终有一天它必然会取代传统计算机走入寻常百姓家。

  据专家预见,在不远的将来,会出现一种工业,可以将量子计算设备嵌入到任何东西当中去,不必再像现在这样将一台个人电脑放在桌上,也许到那时桌子本身就是一台计算机,汽车轮胎可以计算速度和闸动力,医生可以将量子微型计算机插入到人体血液中以杀死肿瘤细胞……

  尽管现在这些还只是科学幻想中的故事,但大多数专家相信在2020年以后,这些领域的发展将非常迅速,就像现在电脑一样,给我们的未来生活带来巨大冲击。

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量子力学的五条公设

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I. 描写物理系统的每一个力学量都对应于一个线性算符。

这条公设隐含了Hilbert空间的概念,且隐含的指出了系统的态由Hilbert空间中的矢量描写。

II. 每次测量一个力学量所得到的结果,只可能是与该力学量对应的算符的本征值中的一个。

这条公设隐含了厄米算符的概念(本征值为实)

III. (平均值公设)对处于|ψ>态的系统多次测量力学量A,所得平均值是<ψ|A|ψ>/<ψ|ψ>

这条公设有不同的表述方式,更常见的即统计诠释:在|ψ>态上测得|φ>的概率为|<φ|ψ>|^2 。

IV. 态随时间演化遵守Schrodinger方程。

V. (全同性原理)交换系统内任两个全同粒子,不改变系统状态。

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玻尔关于量子力学实在的认识

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“人类只能透过观察和测量才能谈论和认识事物的本质,离开具体的测量谈论的本质是没有意义的,本质,我们只能把握有限的真相,除了观察和测量的结果,真相和本质毫无意义,因而不存在这以外的所谓真相。”

一,测量必然要改变客体的状态。
二,测量在本质上也是量子的,测量时仪器与客体的量子关联。
三,在测量前并不存在任何信息。

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玻色-爱因斯坦凝聚与量子计算机

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德国科学家在新一期《自然》杂志上发表论文介绍说,通过改变激光束构筑的三维能量点阵中激光的能量,他们首次实现了玻色-爱因斯坦凝聚态下铷原子气体的超流体态与绝缘态的可逆转换。科学家认为这一发现具有重大意义,并可能为量子计算机的研究带来重大突破。

  在微观状态下让物质处于可控制状态一直是对科学家们的一个重大挑战。1924年,印度物理学家玻色曾对光粒子进行了这方面的理论研究,并把重要的研究结果告诉了爱因斯坦。在将玻色的理论推广到了对特定原子的研究领域后,爱因斯坦预言,如果将这类原子气体冷却到非常低的温度,那么所有原子会突然以可能的最低能态凝聚,物质的这一状态后被称为玻色-爱因斯坦凝聚。

  在爱因斯坦预言的70年后,也就是到了1995年,两名美国科学家康奈尔和维曼以及德国科学家克特勒分别在极为接近绝对零度的条件下首次通过实验证实了玻色-爱因斯坦凝聚理论。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。

 超流体是指一种具有奇特性质的理想流体,即流体内部完全没有粘滞。进一步解释说,粘滞总是使流体中的任何不规则性趋向于消失,好比蜂蜜的粘滞性比水大,因而蜂蜜的状态就比水更不容易改变。而超流体中的一个旋涡则可以存在很长的时间。此外人们已经知道,物体内部电子被束缚住,失去自由不能移动时,物体就将成为绝缘体。

  打个比方说,如果将一群原子以一群人来表示,那么进入玻色-爱因斯坦凝聚态则意味着这群人同时成为了训练有素的士兵,具有共同良好的军事素质;超流体态如同大军开拔,可以迅速南征北战;而绝缘态则表示大军驻扎,各自休养生息。德国科学家的成果,则犹如找到了控制这只大军行动的指挥棒,可以通过宏观行为(改变激光能量)实现微观世界对原子的控制(大军开拔或驻扎)。

  进入21世纪,传统的硅芯片计算机在经过了三十多年的发展后,由于面临耗能和散热等问题将不可避免地逐渐遭遇发展极限。为此,人们又提出了DNA计算机和量子计算机的构想,其中量子计算机被认为更有发展希望。为了发展量子计算机,人们需要找到可以表示0和1两个状态的方法。而每个铷原子都具有磁矩这种状态属性,恰好可以用来表示这两种状态,即可以用做量子计算机的存储介质。

  《自然》杂志发表的文章介绍说,大量的铷原子可以成为量子计算机的存储器,如果有两个这样的存储器,利用它们之间的相互作用,就可以实现量子计算。而德国科学家的发现,为实现量子计算机这一目标“迈出了第一步”。(完)

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星期二, 一月 16, 2007

分子与量子计算机前瞻

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  现代社会许多高新技术的发展都依赖计算机科学的进步。人工智能、虚拟现实、人工生命、辅助设计等许多领域都是计算技术的直接延伸。而计算技术本身正处革命变革的前夜。计算机与社会科学、自然科学和思维科学等许多学科相互渗透和交叉,形成了许多新的边缘学科新学科群,正在改变许多传统学科。分子与量子计算机的 深入研究和技术难关的攻克,并最终投入运算,必将在政治、经济、军事、文化乃至人 类生活的各个方面产生深刻的影响,同时生命科学的部分奥秘也会随之解开。这当然不是梦,这是即将来临的现实!

  回顾历史,19世纪初出现的“分析机”,孕育了第一台数字电子计算机(ENIAC)的诞生。由17468个真空管组成、重达30吨的ENIAC,于1946年2月16日在美国宾夕法尼亚大学开启,其数字处理速度为100KHz,每秒完成5000次加法运算,从而在全球范围内引发了一场信息革命。随后,晶体管计算机、集成电路计算机及超大规模集成电路计算机相继问世,对现代化大生产与管理,科学研究与开发应用,武器装备等国防现代化、军事训练等复杂系统的模拟及快速、准确计算等方面都产生了深远的影响。同时随着信息产业的形成与发展,PC机、可视电话、多媒体通讯及互联网络所带来的快捷优质服务和巨大经济效益,令世人惊叹不已!使人们生活方式和思维方式已经并将继续发生深刻变化,信
息产业已成为其他产业的支柱。计算机科学发展日新月异,目前微处理器的处理速度每18个月就翻一番,预计到2020年,一台计算机的功能将相当于硅谷现有计算机功能的总和。

  计算机发展的最高目标是高速度、高效率、多功能与产业化,这决定了计算机巨型化和微型化的两大发展趋势。要实现这些目标,在技上必须增加逻辑单元数目,要求用作逻辑单元的半导体元件进一步微型化,按这一趋势发展,大约到2030年单个逻辑门的大小就会接近分子水平,此时芯片上各种组件的尺寸是如此之小,量子效应将干扰它们的功能,这是阻碍半导体芯片微型化的潜在物理因素。另一方面经济因素的制约也不可忽视,芯片尺寸每缩小一倍,生产成本则要增加五倍;同时高精度的光刻技术达到一定限度也无能为力。这些经济及物理学方面的制约因素将使现有芯片计算机发展中的巨型化和微型化进程走向终结,因此生物分子与量子计算机必将应运而生,其研究成功并推广应用将为现代计算机更新换代提供更为经济的途径,同时还将促进相关学科与高新技术的迅猛发展及人类文明社会的全面进步!

1 分子计算机
  生命体经过上亿万年的生存竞争和适应进化,炼就了一整套适应自然的物理化学机制,同时也极具信息处理能力。一方面生物分子是优良的信息处理材料,每一生物大分子本身就是一个微型处理器,分子运动过程中以可预测方式进行状态变化,其原理类似于计算机的逻辑开关,以此来设计计算机,是一非常奇妙的设想,如Syracuse大学的Birge正考虑应用细菌视紫红质蛋白分子设计、制造计算机的潜能。另一方面,有机体是解决问题的专家,它进行信息处理的计算技术(分子算法)会令最好的计算程序自愧不如。最近美国南加州大学Adleman博士应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法有效地求解了“哈密顿路径问题”——目前计算机无法解决的NP完备问题。生物分子计算机的研制是基于生物分子的信息处理技术,即生物材料的信息处理功能与生物分子的计算技术。

1.1 蛋白质计算机
  目前科学家正考虑应用几种生物分子制造计算机的组件,其中细菌视紫红质最具前景,这是嗜盐菌紫膜中分子量为26kd的光捕获蛋白质。早在70年代初期,人们就发现这种蛋白质分子的光学异常特性,即受到光照时,可发生结构变化。这种生物材料令人惊奇的稳定性及其较好的热、光和物理化学特性可用于制造各种不同的信息存储与处理系统。前苏联科学家Ovchinnikov认识到这种生物材料用于信息处理的潜能,曾组织一批来自5个不同研究领域的科学家进行生物电子装置研究。后据情报透露,苏联军方曾用视紫红质制造缩微胶片、光学数据处理机和军用雷达处理机。此外这类分子利用微生物进行合成,不必在工厂中生产;应用分子生物学技术可对其进行结构改造,产生细菌视紫红质分子的变异体,从而进一步改良其热、光和物理化学性能。细菌视紫红质的光循环特性可用于储存信息,从而起到操作计算机处理器和信息存储器的作用。

  在细菌视紫红质的光循环过程中,绿光将其从开始静止状态bR转变成中间体k,中间体k很快松驰,形成中间体M,紧接着转化为中间体O,当中间体O暴露于红光,就会发生分支反应,即迅速变成中间体P,它很快松驰成Q状态,这是另一种稳定状态。在蓝光照射下,Q状态可转变成原来的静止状态bR。这两种长期稳定的bR与Q状态可分别对应于二进制0和1,因此一系列处于bR状态或Q状态的细菌视紫红质分子便能储存信息。同时Birge还分别研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制与其用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束,可将信息并行地写入细菌视紫红质立方体和从其立方体中读出信息,这是因为激光器组能够同时激活整个选定的照射页上的分子,选页上的多个地址(数据区)
可被同时写入,即并行地写入。与写入信息的过程机类似,读取信息的过程同样可并行地完成。除此之外,细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。

  虽然生物计算机还是一个纯理论研究课题,也没有出现商品化蛋白质计算机组件,但Birge认为以蛋白质为基础进行计算机研制的最佳途径是将半导体的最好特性与生物分子结构结合在一起,特别是以高密度蛋白质为基础的存储器部分构成的混合技术将有助于解决长期存在的存储器的容量问题,由此而构建成的计算机体积只有现在通用计算机的1/50,而计算速度则要快100倍。如Syracuse大学的研究人员应用原型蛋白质制备出一种光电器件,它存贮信息的能力比目前计算机的存贮器高300倍,这种器件含细菌视紫红质蛋白,利用激光束进行信息写入和读取。

1.2 分子开关计算机
1.2.1 非bR蛋白质分子器件 日本三菱电机公司高新技术综合研究所成功地将核黄素掺入天然蛋白质“细胞色素C522”中制成蛋白分子元件。采用这种结构,可在细胞色素的“边缘”和核黄素之间交换信息,并确保电子元件所需电流,该项研究已获准专利。Nature刊载了控制基因开关蛋白质Calreticulin的重要作用,当它与细胞核结合时,该蛋白质能阻断类固醇激素,履行正常功能控制基因的开与关。美国宾夕法尼亚大学医疗中心研究人员设计并合成了能从自然界中吸取能量和养分的构造复杂蛋白质的类似物。目前该研究小组正在用它来制造替代自然 界中能利用地球上能量的“分子机器”。同时该物质可用于设计独特的微电子装置和传感器。

1.2.2 有机聚合物、络合物等分子开关 利用单个分子代替电子电路表示二进制数字,可使所需的存储空间减少到原来的几百万分之一。以色列科学家发明了用单个有机材料分子储存信息的方法,应用氨基酸缩合而成的分子与Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)形成三股螺旋铁配合物,氧化还原反应中,其铁元素在两种离子状态间改变,对应于二进制的0和1状态,因而起分子开关作用。同时Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)氧化态所对应的颜色不同而易于辨认。用这种分子做成的信息存贮单元,尺寸大小只有十亿分之一厘米。美国和英国科学家共同研究出一种串珠样超分子结构物,它的结构因pH变化或经氧化还原作用而在两种状态之间可逆转换,这种分子开关称为rotaxane,其中所含的分子“珠”,穿过一条“线”。珠可在“线”上两个停泊点间位移。美国Carneige-Mellon大学的Lindsey教授早在几年前就提出分子光子导线新思想,在分子导线中接上一个可以选择性氧化的镁卟啉以干扰光能传输,此开关可用光化学方法来启动。而今这一设想因具有传导特性的生物聚合物的诞生而成为现实,应用这种材料制成的可改变传导光能传输的分子导线,可以实现信号的开关。英国研究人员则开发出一种可用于光学计算信息和全息图像存贮的玻璃状聚合材料,这种材料可提高光学信息处理系统对光的利用率,将促进计算机工业的发展。另据英国《科学与共同政策》杂志报道,已经成功制备一种尺寸只有4nm的复杂分子,具有“开”和“关”的特性,可由激光驱动,开关时间很快,这将为激光计算机的研制提供基础。还有其他很多生物分子都具有计算机开关功能[12,13]:如乙酰胆碱受体;可用作输入/输出分子器件的酶、金属蛋白质;多烯抗菌素和具有分子光子导线作用的生物聚合物。

  值得特别指出的是,一组纳米计算机(或许是分子棒的集合体),能改变代表不同逻辑状态的位置,一次能够将指令传到几万亿个装配器中去,这个计算机也能使指令装配器自我复制。Drexler预言纳米计算机与分子机器相结合能够使几乎所有可被设计出来的东西都用许多廉价的原料甚至灰尘、日光和空气来生产。将超导技术用于计算机中已不会太遥远,在两个超导层之间夹一个很薄的绝缘隔板而精巧地做成的约瑟夫森结能够用很少的电能非常迅速地开关。这种结能代替计算机中的电路,并在理论上能加快计算速度达50倍之多。因技术上的障碍,全超导计算机制造目前难以取得突破,但混合系统是可行的。将超导技术、纳米技术、激光技术、神经网络技术(光学神经计算机)等先进技术与分子计算技术有机结合,将有可能使计算机领域的面貌焕然一新。

1.3 分子算法与DNA计算机
  计算机科学发展过程中,硬件方面追求微型化,以便大量经济地制造大量存储器和效率处理器,而软件方面的发展则一直寻求更为先进的算法。现今电子计算机确实能够进行比人类快得多与更为精确的计算,然而在理解、操作、自我修正、思维与感觉等非数值计算过程中,计算机远不及人类大脑等生物体系,为寻求更为先进的算法,人类将注意力转向生物分子的计算技术。早在1937年Tuiring就提出了“算法”酶的构想:即个别酶分子本身就是一个自动机。它们能够结合成系统,去模拟一个非常基本的原生细胞,而这类细胞可由简单字符串代表的30~40个算法酶构成和操作。随后分化衍生了一系列研究,先后发现种类繁多的生物算法,其中包括通过类比基本生物现象而研究成功的自动机模型,如神经网络(阈限自动机)、免疫网络(希尔自动机)、细胞自动机等。其基本特征是集体计算,在模拟、模式识别等非数值计算领域有极大潜力。以生物智能为基础的仿生算法,目前最为成功的是进化算法,包括遗传算法、进化规划与进化策略等三个方面,集中体现了达尔文进化论的竞争选择、适者生存的基本思想,把复制、突变、杂交选择等操作引入算法,在优化问题的求解方面独树一帜。譬如最近Singh等在组合化学研究中,应用遗传算法(Genetic Algorithms,GA)成功地进行了化学多样性组合库筛选过程中的信息处理,实现了只合成部分化合物便能找到高活性先导化合物的目标,不失为成功地应用计算途径进行先导发现和优化的范例。

  以上两种算法是在计算机上实现的,而生物化学反应算法则立足于可控生物化学反应或反应体现,利用小容积内同类分子可拷贝数的优势追求运算的高度并行化,从而提高运算的效率。如基于DNA分子的计算技术是通过合并DNA链运算、在适当位置切割DNA链运算、拷贝DNA链运算、用给定的核苷酸序列提取DNA链运算等不同的运算方式,来开发对实际计算问题中的编码数据进行处理的各种算法,从而达到应用这一生物分子计算技术有效解决各种实际问题的目的。

  DNA计算机的实质就是DNA分子计算技术的化学实现,即将经过编码后的DNA链作为输入,在试管内经一定时间完成控制的生物化学反应,以此完成运算,反应产物及溶液给出的全部解空间。最近这方面的研究取得了突破性进展,美国南加州大学的Adleman博士用生化实验方法,有效地求解了哈密顿路径问题:给定一个“城市”的集合及这些城市之间的有向路径,寻找一条从某一确定城市开始,到某一确定城市结束,并且其他每个城市必须恰好访问一次的定向旅游路线,哈密顿路径问题已被证明是难于计算的离散数学问题,即NP完备问题,其求解过程可“公式”化为一个“搜寻”问题。Adleman博士通过基于DNA分子计算技术的生化实验方法有效求解“哈密顿路径问题”的基本过程是以DNA序列作为信息编码的载体,利用现代分子生物学技术,以试管内控制酶作用下的DNA序列反应,作为实现运算的过程,以反应后的DNA序列作为运算结果。这一实验方法揭示了在分子水平上进行计算的可实现性,成果令人振奋。

  随后,美国普林斯顿大学Lipton博士修正了Adleman的实验方法,并以此来解决更困难、更有趣的NP完备问题,即著名的“可满足性”问题,这种基于DNA的生物实验方法是一种能够解决NP完备问题的更一般方法的特殊情形,首先利用DNA链来表示所求问题的所有可能的解,然后删除那些无效解。表明DNA计算能起到高效搜寻机制的作用,通过对数目巨大的可能解空间的彻底搜索,以试图快速得到所有的正确解。利用基于DNA分子的计算技术求解SAT问题的可能性比用基于硅芯片计算机的可能性大得多。

  1995年4月初,全球计算机科学、分子生物学、电子学、光学及有关学科和规模较大的计算机生产厂家200名科学家聚集在美国普林斯顿大学,举行了一个开发DNA计算技术用于制造生物计算机的全球性研究计划筹备会议,制定了研究与开发制造“生物计算机”的DNA计算技术计划。与会科学家认为:基于DNA分子计算技术的应用潜力十分巨大,DNA计算机的构想是一种创新,DNA计算机运算速度快,如果两个DNA分子的连接(结连作用)被视为一次运算,则这种基于分子的计算每秒钟可大约进行1015次或更多次运算,其运算速度超过当前超级计算机1000倍。其次,其贮存容量非常大,1立方米的DNA溶液可存储1万亿位二进制的数据,超过当前所有计算机的存储容量;其三,基于DAN分子的计
算具有高度的并行处理机制,原因是对编码DNA链的各种运算,可同时在试管中的所有DNA链上进行。其四,DNA运算反应过程中所消耗的能量只有一台普通计算机的十亿分之一。最后,对于象有哈密顿路径问题和可满足性问题这类复杂的NP完备问题,现有电子计算机的计算效率非常低,而运用分子生物学提供的计算技术能够进行巨大的并行搜寻计算。

  基于DNA分子计算技术的研究尚属初期,生物计算也还是一个纯理论研究课题,预言分子计算机能否大量应用尚为时过早,但DNA分子计算机的观念扩展了人们对自然计算机现象的理解,特别是对生物学中基本算法的理解。分子计算机观念的提出,向众多领域提出了挑战:对生物学与化学,在于理解细胞和分子机制,使它们成为分子算法的基础;对计算机科学和数学,在于寻找适当的问题和有效分子算法去解决更为复杂的系统模拟与计算问题;对于生理学与工程学,在于构建大规模的可信而又易于实现的分子计算机。正如著名计算机科学家Lipton所说,既然人们已开始思考这类问题,就会找到许多方法来适合这个模型,自然科学中最诱人的两个前沿领域—分子生物学与计算机科学结缘联姻,一定会创造出惊人的奇迹!

2 量子计算机
  芯片上各种半导体元件尺寸及其布线变得极小时,电子的波动性较为突出,单个电子的位置变得难以规定,因此逻辑元件保存其数值0或1可靠性降低了,量子效应将干扰它们的功能,这是阻碍半导体芯片微型化的潜在物理因素。但这一性质可加以利用,麻省理工学院的Lloyd及其研究人员正在研究以组件的非经典行为为基础的量子力学计算技术的可行性。

2.1 量子力学与量子信息
  计算机元件尺寸小至原子级(比现行计算机元件小100倍以上)时,量子效应较为突出,只能用量子力学来描述信息处理电路的性能。此时电子的波粒二象性、微小系统只能以位能态存在及物质波也具有迭加性等概念,对于理解量子力学计算机中的量子信息、量子逻辑门和量子计算等问题都是极其重要的。

  量子点是研究人员捕获单个电子并监视其运动的分子阵列。理论上这些装置可用作二进制计数器,其中单个电子的存在与否分别对应二进制的1和0状态。这一设计思想的另一种表述就是用适宜能量(频率)激光照射原子或离子晶体,使原子在其电子基态与激发态间转换或相邻离子“双重共振”翻转信息,以实现数据位值的变化。

  信息同量子力学中的原子能级一样也是以分立形式存在的。信息的量子就是位。一位信息就是两种可能情况中的一种—是或否,1和0。目前所模拟的量子计算机基本设计策略是模式数字信息处理中的分立特性与量子力学的分立特性相对应而进行计算。最先进行的开创性研究当数著名物理学家Rabi之法:以氢原子量子系统写入信息—处于基态的氢原子,其能量等于E,要向该原子写入0,就是不采取任何行动;要向该原子写入1,则是用ΔE=E\-1-E\-0的激光照射该原子使其激发到E1,继而受激原子发射出一个光子并回到基态—实现了激光脉冲使原子的信息位翻转。近3年多,Lloyd报道了用适宜频率的激光照射原子与信息位翻转、半翻转中的相关性,发现量子计算机中半翻转则仍具量子位但在常规计算机中,要实现信息位半翻转时,半充电的电容器易出现错误。并用实验证实了从量子系统读出与写入信息到计算间只相隔很小一步。

  量子计算机与普通计算机不同之处在于存贮信息方式:普通计算机利用电荷的有或无来表示二进制数据存贮语言1或0;而在量子计算机中,信息则用单个粒子或粒子团的能级表示—基态来表示0,受激态表示1,原子能级所对应的信息存贮容量大,其存贮数据位的数量取决于被激发的电子的能级数。

  量子计算机理论方面研究取得了长足发展:80年代初期,Benioff根据Landauer和Bennett的早期研究成果,证明一台计算机原则上可以以纯粹量子力学方式运行;90年代,Lloyd则描述了许多为人们所熟悉的物理系统,其行为类似于量子计算机;美国电报电话公司贝尔实验室的Shor则证明量子计算机可用于分解大数——一类使目前功能最强大的计算机一筹莫展的问题;目前应用超短激光脉冲在原子内操纵电子位置所产生的干涉电子可用于原子数据存贮。所有这些卓有成效的研究让世人深信:量子计算机问世指日可待。

2.2 量子逻辑门与量子计算
  基于信息量子化的量子逻辑门是对信息位进行操作的基本组件。单个光子之间通常没有相互作用,而当它们与光学谐振腔内原子共聚一起时,相互作用较强。昆廷、特切认为,光子与光子谐振腔内的原子之间的相互作用,为制造光量子逻辑门奠定了基础。而美国沃尔夫甘*兰格则认为光子的这种相互作用,能用于改进基于量子效应的信息处理器件的性能,进而用于建造计算机。Deutsch和Barenco等的研究表明,几乎任何一种量子位之间的非线性相互作用都可用于构建计算机,其前提是只要一台量子计算机能够翻转数据位,则任何非线性的量子相互作用都能使它执行任何计算。

  量子逻辑门的使用寿命几乎与现行计算机的半导体元件一样长。其构造及类型如下,利用粒子的自旋可进行简单的两位逻辑运算,即以粒子相对于某个磁场的自旋方向表示1,而另一个自旋方向表示0。起初是用氢原子的电子—质子自旋相互作用系统来实现这一设想的,只有当电子的自旋表示1时,才能使质子的自旋翻转,从而可用“双重共振效应”进行线性的“NOT”(非)和“COPY”(复制)等逻辑操作。后来Sleator和Weinfurter证实,如果使质子和电子的自旋部分地翻转,“双重共振”也可用于构建“AND”(与)门。如把这些量子逻辑门经量子导线连在一起,便构成量子计算机。连接量子逻辑门最简便的方法是穿过光纤或空气的单个光子把信息位从一个逻辑门送到另一个逻辑门。而其中最有望实现的是Kimble小组的研究,其方法是把光子连同一个原子集中在一个微小区域中,从而增强光子间微弱的非线性相互作用,结果获得一个量子逻辑门:当一个光子读出1时,另一个光子位可部分翻转。研究表明,完全用这类量子逻辑门建造一台计算机运算极快,且相对不易受环境扰动的影响。然而要实现这一设想,技术上要求系统中所有光路的长度都必须精确到所使用的光波波长的极小范围之内。

  在解决晶体管布线问题中,Zoller等提出把量子位封在离子阱中,使它们与任何有害外部影响隔离开来。美国Wineland小组在实现该方案中率先迈进一步:对分子和摇摆运动的信息位进行了线性的和非线性的操作。目前已能控制几位的量子逻辑运算,预计不久,他们则能完成几十位甚至几百位的量子计算。而采用量子并行结构,则可制造并行量子计算机。

  Stround利用原子能级信息容量大的特点,设法安排电子概率分布以适合其量子计算需要。目前Noel和Stround等则以900个象素为目标,进而弄清原子的“光学特性”,用波函数的相位来表示画面的颜色,以幅度表示其饱和度。怎样用电子分布去建立逻辑函数,以及高度激发电子极其脆弱性问题和重新读出数据位等,Stround已从中探寻到解决这些问题的基本思路和付诸实施的巧妙测量技术。

  能以叠加方式存贮信息的量子计算可生成一些真正的随机数,这是传统计算机无能为力的。数学上已证明量子计算可大大加快因式分解的速度。这一证据也吸引人们将注意力集中在根据量子力学原理制造量子计算机上。

  总之,正值本文写作与等待发表之际,这一领域仍在不断翻新,尽管前进的道路还有许多困难和障碍,但其发展趋势势不可挡、一日千里,在不久的将来有可能进入实用阶段,并将使人类社会的面貌焕然一新。

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星期二, 一月 09, 2007

各国的量子计算机研究成果

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2001年IBM公司阿曼顿实验室的科学家已建 构了7位的核磁共振量子计算机。IBM的实验室把原子变为离子,并使用了离子的两个内部自转状态作为一个量子比特。然后使用微波脉冲作为地址。但NMR方法还不能生成15个以上的量子比特。IBM还在开发更有前途的固态器件技术。

NEC于1999年通过使用Josephson连接制造了一个超导单电子盒,从面证明了一个固态量子比特。但由于需要量子比特更长的一致时间,所以用于实际的量子计算还有很长的路要走。2003年2月,NEC与日本的物理和化学研究所合作,成功制造了第一个固态“集成”电路(包含两个连接着电荷的量子比特)。

2000年日本日立公司开发成功一种量子组件---“单个电子晶体管”,可以控制单个电子的运动,具有体积小,功耗低的特点,比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。

2004年9月,NTT物性科学基础研究所试制出具有希望成为量子计算机基本组件的“超导磁束量子比特”,在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时,组件的工作频率也成功地提高到了原来的10倍-100倍。与其它候选的基本单元相比,超导磁束量子比特具有量子状态容易持续保持,易于集成等优势。但此前由于控制手段的局限,在控制状态下的持续时间非常短。此次则消除了这一局限。这样一来,就有望实现利用多个组件同时处理多项信息的量子纠缠,进而实现构成AND与OXR等基本电路的控制NOT门。此次用于比特控制的是能量比光更低的微波,但仍能很好地控制能量跃迁的幅度,因此也国光控制的应用开辟了道路,即将光通信与此次开发的单元组合起来,如通过光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。

英国南安普顿大学的计算教授Tony Hey使用其自己安装在底板上的4*4 Hadarmard控制非门证明了Grover的研究算法,并解释了16个量子比特如何相当于16个电子。

<<自然>>杂志2004年发表了中国科技大学潘建伟教授等完成的重大研究成果:五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传态的试验成功,在国际上首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵,在世界上率先实现了五个粒子的量子互动传输。

英国于1993年首先在光纤传输长度为10公里中实现光子相位编码量子译码钥分发。

1997年,美国Los Alamos国家实验室创造了光纤量子密码通讯距离的新纪录,成功地在长达48公里的地下光缆中传送量子密码本。

1999年,瑞典和日本合作,在光纤中成功地进行了40公里长的量子密码通讯实验。日本三菱电机公司2004年11月宣布,研究人员用防盗量子密码技术传送信息成功其传递距离可达87公里,打破了Los Alamos实验室制造的48公里的记录。这家公司说,这一距离为量子密码技术实用化提供了可能,对提高国防和金融通信系统的安全性大有帮助。在量子隐形传态方面,1997年奥地利学者在国际上首次实现了未知量子态的远距传输,成功地将一个量子态从甲地的极化光子传送到乙地的极化光子上。1998年美国加州理工学院的H.J.Kimble和合作者用光的压缩态,成功地将一束光从一个房间转移到另一个房间,为量子隐形传态跨出了革命性的一步。2000年中国在850纳米的单模光纤中也完成了量子密码通讯示范性实验。

2004年6月3日,马萨诸塞州剑桥的美国BBN科技公司与美国哈佛大学日前合作构筑了一个量子密码网“DARPA量子网络”,并使用光纤成功实现了该网络的相互连接。DARPA量子网络由于采用量子密码生成的密钥对信息进行编解码,即使采用开放式网络通信,也能够确保极高的安全性。这种网络的实现尚属全球首次。

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星期一, 一月 08, 2007

DNA电脑与生物电脑之父——雷纳德·阿德勒曼

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   1994年,美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼(L.Adleman)博士,在《科学》杂志上发表一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文,首次提出分子计算机,即用DNA分子构建电脑的设想。作为一位理论数学家,阿德勒曼教授的研究课题十分广泛,他曾与别人合作发明了用于通信的RSA加密码,RSA中的“A”就是他姓名的首字母;此外,他的研究触角也涉及到了爱滋病和生物学领域。

  DNA(脱氧核糖核酸)是生物基因的物质实体,携带着生命信息的密码。过去大多数科学家都认为,以DNA分子而非电荷形式来处理数据,不过是一种有趣的理论化概念,在几十年之内将不会得到实际的验证。然而,阿德勒曼偏偏做成了这种不可能的“芯片”。以目前的情况,叫它“芯片”或许有点牵强,因为它不再是固体,而是由装满有机液体的微型试管组成,承担计算任务的DNA分子就溶在液体之中。

  更令电脑界惊讶的是,阿德勒曼竟然利用他发明的DNA生物电脑,解决了一个实际的数学难题。这个题目是这样的:“由14条单行道连接着7座城市,请找出走过上述全部城市的最近路途,而且不能走回头路。” 学数学的人都知道,这是一个经典的数学问题,又叫“推销员问题”(它的正式的名称叫“汉密尔顿路径问题”),该问题的叙述是这样的:“如果一个推销员要在许多个城市推销,每个城市必须而且只能经过一次,如何找到最短的路程?”经典数学中并没有公式可以回答,惟一的解决办法是找到所有可能的路程加以比较,选出最短的一种。然而,即使仅有四个城市,推销员也已面临着12种选择,当然比较所有的路线仍有可能,但随着城市数目的增加,路径将呈现指数增长,穷尽所有的路径变得越来越不可能。

  阿德勒曼教授设法驱使试管中的DNA分子来完成计算,他用DNA单链代表每座城市及城市之间的道路,并顺序编码。这样一来,每条道路“粘性的两端”就会根据DNA组合的化学规则,与两座正确的城市相连。然后,他在试管中把这些DNA链的几十亿个副本混合起来,让它们以无数种可能的组合连接在一起。其基本工作原理是:单条DNA以预定的方式和与之对应的DNA相配接。通过7天时间的系列生化反应,DNA电脑自动找出了解决问题的唯一答案,即只经过每座城市一次且顺序最短的DNA分子链。这就是说,用生物学方法模拟的逻辑运算,用一个星期时间完成了电脑几年才能完成的工作,表明了用DNA技术处理高难度数学问题的巨大潜力。

  阿德勒曼的成功实验表明,DNA生物电脑已经不是什么科学幻想,它不但打破了传统意义上的计算机概念,而且有助于揭示生命的本质。阿德勒曼发表的那篇报告,不仅使他成为“生物电脑之父”,而且促使了世界各地至少12个实验室开始这方面的研究工作。现在,许多科学家都把DNA计算技术看作是可以用来替代传统电子技术的主要候选者。

  例如,美国新泽西州贝尔实验室的研究者,正在改进阿德勒曼的第一台DNA电脑。该实验室的物理学家艾伦·米尔斯说:“我们所做的不再是连接线路,而是将大量的DNA装入罐子,加进盐和酶,然后加以培养,于是不同的 DNA分子就开始互相寻找配对。” 米尔斯的目标是制造一台神经网络计算机,基本构造与人的大脑相仿,不像传统计算机那样采用数字输入,而是一种类比输入。麦迪逊威斯康星大学的研究小组却采取了不同于阿德勒曼的试管办法,他们把DNA链固定到一块镀金的玻璃载片上,使之真正成为DNA芯片。在经过数年的研究之后,该研究小组制造出了几台 DNA芯片计算机,每台都由大约100万亿个由人工合成的DNA链状结构组成。英国利物浦大学的马丁·科莫斯等科学家则希望把DNA计算技术送回到活细胞中,在转基因细胞内部模拟计算机逻辑电路,打算在细菌细胞中实现生物“开关”元件。

  DNA生物电脑的最大优点,还在于它惊人的存贮容量和运算速度。纳米技术家认为,DNA具有在极小空间里存储海量信息的自然特性,遗传密码符号的间距仅有0.34纳米,1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿比特数据;1立方厘米DNA溶液将超过1万亿片CD光盘的存储容量。具有生命特征的这种电脑,运算次数甚至可以达到每秒10的20次方或更高,消耗的能量却微不足道,只有普通电脑的十亿分之一。据说,十几个小时的DNA计算,就相当于人类社会所有电脑问世以来的运算总量。我国国家智能计算机研究开发中心主任、主持研制“曙光”超级电脑的李国杰院士提出,生物计算机要成为一种通用计算机,必须先建立与图林机类似的计算模型。现在DNA电脑最大的问题是很难检测计算结果,一旦这个问题得到解决,DNA生物电脑(芯片)将很快进入实用阶段。

  据报道,2001年11月,以色列科学家已经成功研制出世界上第一台可编程DNA电脑,这种电脑即使有一万亿“台”,其体积也不超过一滴水的大小。然而,如何真正替代硅芯片成为普遍使用的DNA微处理器,科学界仍然面临着许多挑战。DNA链的并行处理能力非常适合解决类似“推销员问题”,但随着问题复杂程度的增加,DNA数量也将呈几何级数上升。如果推销员要走遍200个城市,生物电脑所需要DNA分子的总量甚至会超过地球的重量。因而,有些专家更倾向于一种“杂交”电脑,让硅芯片和DNA芯片共同承担计算任务。

  阿德勒曼教授曾经说道:“我并不期待构建一台像PC机那样的DNA电脑,但是,生物电脑可以做用其他技术所不能完成的工作。”他预言说,到2002年DNA电脑就可以解决有20个变量的数学问题。DNA电脑将采用其本身的“语言”,以四进制系统来编码,与“人工生命”的研究范畴将融合在一起。对此,阿德勒曼认为,今后的工程技术人员应该接受更加广泛的科学教育,使自己成为“通才”,全面掌握数学、物理、化学、生物学和计算机科学知识,才能做出更多的发明和创新。或许,这正是他本人的切身体会。

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DNA计算机能够玩游戏 新的计算革命到来

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一件听起来匪夷所思的事情成为现实。科学家用DNA作为基本材料制作出了新一代的电脑。在近期的《自然生物技术》杂志上,哥伦比亚大学的研究人员发表论文表示,他们研究出的DNA计算机在与人的较量中能够赢得“井字游戏”。   如果这真的引起一场革命,其根源很可能要追溯到十年前的一个夜晚。那天晚上南加州大学的计算机科学家莱昂纳多-阿道曼躺在床上读詹姆斯-沃特森 (James Watson)的《基因分子生物学》。他告诉妻子,“这是一个神奇的东西。”睡梦中,他产生了一个朦胧的想法:人的细胞与计算机处理和存储信息有许多类似 的地方。

  计算机以二进制的0和1进行数据存储,而生物的DNA以A、T、C和G四个字母代表的四种碱基作为基本结构。还有许多其它的类似地方,阿道曼开 始构思其DNA计算的基础架构。这一午夜的胡思乱想已经成为地地道道的科学构想,并得到美国公家航空航天局和五角大楼以及其他联邦部门的资助。现在,全世 界有为数不多的研究人员正在致力于开发微型生物基础的计算机。

  试管中的计算机

  研究人员将他们的创造称之为“机器”或者“设备”。而事实上,这些东西仅仅是存在于试管中的充满DNA的水。而这些液体被人们号称执行运算法则,能够运算出数据。

  目前,DNA计算机所能解决的问题都是些很基本的简单计算。小孩用纸和笔就能很轻易的计算出结果。但研究人员期望某一天能够将微型计算机注入人 体,然后开展杀死病毒、修复正常细胞等工作,从而维持人体健康。他们还相信,遗传物质可以自我复制,并成长为可以处理复杂数据的处理器,其处理能力甚至能 够超过硅芯片计算机。科学家们希望最终能够创造出可自我维持的计算机,比如可以用于宇航员身体健康状况的自动监测和调整。

  如何阅读DNA数据

  阿道曼当晚所惊奇的是,他发现酶“阅读”DNA的方式与计算机先驱阿兰-图灵(Alan Turing)1936年对计算机读取数据的最初构想出奇的相似。阿道曼意识到细胞内部充满了各种各样奇异的工具,“细胞是百宝箱”。

  阿道曼1994年制作了第一个基于DNA的计算机,并用它解决了经典的“推销员问题”(traveling salesman problem,TSP )。这个问题要求一个推销员在不同城市间穿行,但不能重复经过某个城市两次。

  阿道曼将7个不同的城市用长为20个碱基的DNA链代表,然后将他们注入无数其他DNA中。它们自然结合在一起,形成成千上万条随机路线,这与 计算机用随机数字所创造的环境极其类似。从这些DNA链的大杂烩中,阿道曼最终找到一个满意的解决方案:一条直接从第一个城市联结到最后一个城市的DNA 链,它不需要重复任何一步。DNA计算诞生了。

  真正的了解生命

  这些研究人员真正需要做的是控制、预测和理解生命本身。所以没有人怀疑他们的机器要等到许多年后才可能走出实验室。

  生物学家现在紧掌握了DNA开链的基本原因和方式以及如何发送和接收信息。DNA非常脆弱并很容易传递错误信息,这正如当今世界的癌症发病率所 反映的一样。这些现实以及其它因素让人不得不对DNA能够最终取代硅芯片产生疑虑。即使如此,这一领域的研究人员依然相信他们处在计算革命的先锋位置。

  毕竟,一克干燥DNA所能携带的信息就相当于1万亿片压缩磁盘的容量。阿道曼相信总有一天能够以某种方式利用这种优势。“我仅仅是不知道以何种 方式。”其中的一个问题是,安置一台DNA计算机并使用它计算出结果可能需要数天甚至数周的时间。更大的障碍是DNA不能进行精准的计算。

  研究中的应用

  哥伦比亚大学的研究人员Milan Strojanovic在NASA的资助下正在开发一种基于生物特性的机器,这种设备可以不用人的帮助进行自主计算。这一价值1500万美元的项目旨在开 发为太空旅行使用的宇航员健康状况生物传感器。他们希望将这种技术应用于宇航员的保健。

  以色列魏兹曼科学研究院的 Ehud Shapiro则正在设计携带治疗信息的微小分子,并希望将其注入人体开展诊断治疗。他在2001年获得了美国的“计算机”专利。该专利仅仅是一滴水,其 中包含有DNA和酶,这些就是该计算机的输入、输出、软件和硬件。今年,他的研究小组开始利用其“设备”中DNA分离所释放的能量作为其能源。这一小组的 发明被某些企业称为“最小的生物计算设备”。

  Shapiro本人对遗传物质取代硅也表示怀疑,但他对DNA计算依然表示乐观。他认为,两种计算方式将共存,分别用于不同领域。

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理论:DNA计算

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严 明 达
(中国科学院上海生物化学研究所,上海200031)

摘 要 DNA计算是计算机科学和分子生物学相结合而发展起来的新型研究领域。它
以DNA为计算工具,利用DNA反应的强大并行计算能力,成功地解决了诸如哈密尔顿
路径、最大Clique等NP难题。本文通过对两例DNA计算的具体剖析,分析了其中的
算法、运算能力、误差、以及由此引起的种种讨论,较为全面地介绍了DNA计算的
概况。

关键词 DNA计算, NP难题, 哈密尔顿路径问题, 最大Clique问题


引 言

分子水平上进行计算的概念最早是在六十年代早期由Richard Feynman提出的
[1]。但是由于当时尚缺乏合适的材料、工具与方法,Feynman的“超微型计算机”
想法只能是一种超前的、美好的愿望。而与此同时在生物学领域,分子生物学正逐
渐出现并成熟,使生物学的研究深入到了分子水平。尤其是到了八十年代,随着
PCR等现代生物技术的日益完善,分子计算的时机事实上已基本成熟,只是人们一
度淡忘了它。直到1994年,Leonard Adleman发表了如何用基本分子生物学手段解
决哈密尔顿路径的计算难题[2],人们才猛然意识到,分子计算的时代已经到来,
一直被认为是遗传信息载体的DNA其实也可以用来作为计算工具,即所谓的DNA计算
机[3]。短短几年来,DNA计算领域的研究成果层出不穷,大大促进了数学、计算机
学和生物学的交流与合作[4]。

哈密尔顿路径问题与Adleman实验

所谓哈密尔顿路径问题是指:在由n个顶点与有向线段组成的图形中,问能
否找到一条途径,从顶点Vin出发、到Vout结束,途中经历每个顶点一次且只有一
次[5]。这样的途径就称为哈密尔顿途径。目前为止虽然已有很多算法寻找哈密尔
顿路径,但都面临“指数爆炸”、或者叫作“组合灾难”的复杂性问题,没有有效
的(所谓“多项式时间”)算法来解决。

Adleman提出了一个由7个顶点和14条有向线段组成的简单图形,并设Vin=0、
Vout=6,那么容易看出,图中存在一条哈密尔顿途径:0→1→2→3→4→5→6。若有
向线段2-3不存在,则没有哈密尔顿途径;若Vin=3、Vout=5,则也找不到哈密尔顿
途径。

Adleman设计了如下算法:
第一步,组建图中所有可能存在的路径的集合;
第二步,筛选出以Vin为开头、Vout为结尾的途径;
第三步,筛选出共经历n个顶点的路径;
第四步,筛选经历了每一个顶点的路径;
第五步,经过上述三次筛选,考察有否路径存在,即回答了哈密尔顿路径问题


应用DNA为材料、分子生物学方法为手段,Adleman成功地完成了各步:

首先,设计并合成若干个20mer长的寡聚核苷酸,以对应每一个顶点和有向线
段。代表顶点i的寡聚核苷酸记为Oi;代表有向线段i→j的则记为Oi→j,其前
10mer为Oi的后10mer,其后10mer为Oj的前10mer。另外,顶点Oi的互补链记为`Oi。
现将`Oi、Oi→j共21种寡聚核苷酸混合、连接。容易想象,在`Oi的指导下,各条
Oi→j相互连接,构成了所有可能路径的总集。即完成了算法的第一步。

接着,应用PCR技术,以第一步连接产物为模板,O0、`O6为引物进行扩增,所
得产物即为算法第二步的结果。将PCR产物走Agarose凝胶电泳,可以将相差20mer
的各个条带分离开,其中140bp条带显然就是经历了7个顶点的路径集,切胶回收它
即完成了算法第三步。然后应用亲和纯化法,用磁珠标记的`O1与回收产物(经变
性为单链)结合,纯化得到含O1的子集,再依次用`O2、`O3、`O4、`O5亲和纯化,
就完成了算法第四步的筛选。

再次PCR检测即为算法的第五步。事实上,Adleman用O0、`Oi(i=1-6)引物对
进行了一系列6个PCR,不仅回答了存在哈密尔顿路径,而且可以明确指出这条哈密
尔顿路径的组成。即由系列PCR产物大小40、60、80、100、120、140bp,推断出该
途径为0→1→2→3→4→5→6。

Adleman实验成功解决了哈密尔顿路径问题,可谓是开创了DNA计算的先河。从
此,“DNA计算”、“DNA计算机”的大名迅速出现在各种媒体上,类似的研究也竞
相报道。下面介绍的最大Clique问题就是其中的一例。

最大Clique问题及其DNA计算解决

数学上Clique是指每两个顶点之间均有线段相连的一系列顶点所组成的图形。
故所谓“最大Clique问题”就是:在一个N个顶点、M条线段组成的网络图中,问最
大的Clique具有几个顶点。与哈密尔顿路径问题相类似,最大Clique问题同样是具
有“指数爆炸”特征的计算难题。

如何应用DNA计算机来解答这个问题呢?Ouyang[6]在文中举了个例子,是一个
6顶点、11条线段的简单网络。容易看出,顶点(2,3,4,5)组成了最大Clique
,所以这个图的最大Clique问题之解为4。

Ouyang采用的算法为以下三步:

第一步,设计一个6位的二进制数来描述Clique,该数第n位为1则表示顶点n位
于此Clique中,反之为0则表示不是此Clique中的顶点。如Clique(4,1,0)可描
述为2进制数010011,Clique(5,4,3,2)为111100。可见,6位二进制数的集合
就是6顶点网络中所有可能的Clique的总集。

第二步,画出“互补图”,即各顶点由原图中所没有的线段相连构成的图。在
第一步总集中有这些线段的二进制数显然不是真正的Clique,应予以排除。由互补
图易知这些数为:xxx1x1,1xxxx1,1xxx1x,xx1x1x(x=0或1)。剩余的数即为原图
中真正Clique的集合。

第三步,排列第二步所得集合,含最多1的二进制数就是最大Clique,其1的个
数即为最大Clique问题的答案。

Ouyang通过精心设计,合成了12条寡聚核苷酸,分别编码第1到第6位的“0”
和“1”。每一条由三部分组成:两头的Pi,Pi+1部分分别为20mer的位置符,中间
的Vi则为数值符(10mer表示“0”,0mer表示“1”)。混合在一起,通过PCR循环
,互补链部分退火结合、并在Taq酶作用下延伸,若干循环后即得到代表二进制数到111111的所有DNA片断。为去除不足6位的延伸,用P0、`P6为引物进行扩
增,便完成了算法第一步。

根据寡聚核苷酸的设计,若i位数值为1,Vi是0bp,Pi与Pi+1相邻,正好构成一
个内切酶识别位点;若i位数值为0,由于Vi 10bp的插入,破坏了该酶切位点。因
此,第二步的去除就可以由内切酶反应来完成了。比如要去除xxx1x1,就先用一种
内切酶切断xxxxx1,再用另一种内切酶切断xxx1xx,合并两种酶切产物,即为无
xxx1x1的集合了。其他三种如法炮制、依次去除。最终再以P0、`P6为引物进行
PCR扩增,所得产物就是第二步的结果了。

最后,简单的电泳分离即可完成第三步:最短的DNA片断所含1最多,代表了最
大Clique。实验结果所得到最短的片断是160bp,扣除140bp的位置符长度,数值符
总长度为20bp,表明含有2个“0”、4个“1”。故这个最大Clique问题的答案即为
4。
事实上,进一步利于克隆技术,将该160bp条带克隆、并测序,就可以回答这个最
大Clique由哪几个顶点所构成。测序结果表明此DNA片断代表二进制数111100,正
是Clique(5,4,3,2)。

DNA计算的算法

在计算机学中,问题的困难程度是由解题所需的计算时间(机时)所决定的。
机时是问题大小的函数。若这个函数为多项式函数,则问题可称为“多项式时间(
Polynomial time)”问题;若不是,则称为“非多项式时间”问题,往往被视作
不可解问题[7]。因为举例来说,设解答大小为10的问题需1μs机时,如果是一个
机时函数为O(n2) 的“多项式时间”问题,当问题扩大为100时,解决需100μs;
而如果是一个机时函数为O(2n)的“指数时间”问题,问题扩大为100后,解题需
3.9×1011世纪!

在“非多项式时间”问题中,有一部分为NP(non-deterministic polymial
time)问题,是指它的答案可以在多项式时间内得以验证。换而言之,若存在一个
先知,告诉了我们问题的答案,我们就可以在多项式时间内验证它。NP问题中最重
要的子集是“NP-完全问题”,任何NP问题均可以经多项式时间运算后转化为NP-完
全问题。目前计算机学中许多重大的问题几乎都是NP-完全问题,为了解答它们,
大小得有所限制,还不得不采用一定的近似,用牺牲精度来换取机时。

上面提到的哈密尔顿路径问题、最大Clique问题,即属于著名的NP-完全问题
。其它作者也提出了不同NP-完全问题的DNA解决法[8,9]。事实上,Lipton提出的
模型指出[10],原则上DNA计算机可用于解决任何NP问题,而非仅仅原始文献中那
些简单的示意问题。所有这些问题的一个特征是:存在与问题大小呈指数关系的“
可能解”,每一个解均可以在多项式时间内加以验证。DNA计算机正是运用了这一
特征,利用DNA编码所有的“可能解”,而后进行种种筛选,最终找到答案。

DNA计算机的这种算法,从某种角度看,得益于有“先知”提供了问题的答案
。这个“先知”不是别人,正是DNA连接反应中强大无比的运算能力。
强大的运算能力

普通台式计算机能以每秒106次运算的高速运行,而目前最快的超级计算机可
达到约1012/秒的运算速度。那么在试管中慢吞吞进行的DNA分子反应又是靠什么来
赶超它们的呢?

以两段DNA片断的连接视作一次运算,在Adleman实验的第一步有50pmol`Oi、
50pmol Oi→j参与的连接体系中,约有1014次连接运算;若用μmol级的DNA用量,
就可以达到1020次,甚至更多。而如此多的运算在一次连接反应中完成,所需时间
为数小时,即104-5秒。因此,每秒进行的运算就可以远远超过超级计算机。可见
,并行运算是DNA计算机制胜的法宝。虽然现有的超级计算机也具有并行运算能力
,但仅仅能够进行数千次级的并行运算,而在DNA计算机中,可以轻易地达到数十
亿次级的并行运算。

同时,DNA计算是低能耗的运算。连接反应需水解一个ATP提供能量,所释
Gibbs自由能为8kcal/mol[11]。由此计算,1J能量足以提供DNA计算机作2×1019次
运算,而这些能量提供给现有的超级计算机却仅能作109次运算。

此外,信息存储高密度也是DNA计算机的强大之处。于DNA中存储信息,1bit信
息所需空间仅仅是nm3级的(DNA碱基对的空间大小), 1μmol DNA就足以编码2Gb
的信息。而现有的磁记录设备,如磁盘、磁带,存储1bit约需1012nm3。果蝇170,
000,000bp基因组一级结构信息存在于果蝇的每一套染色体中,但若存储于磁盘上
,需要40张3’软盘!

关于计算中的误差

DNA计算机会不会出错呢?考察整个DNA计算的操作过程,亲和纯化是最易出错
的步骤。Adleman实验中共需进行五步亲和纯化,还不算多,但可以想象,由于低
信噪比所引入的误差会使更复杂的运算操作最终无法成功。尽管可以作些改进
[12,13],但最好还应减少乃至不用这一类方法。Ouyang最大Clique问题的解决就
成功应用了内切酶反应,从而避免了亲和层析。

另外,就模板指导的寡聚核苷酸连接反应的保真度问题,James等做了专门研
究后指出[14],由于寡聚核苷酸二级结构的影响,以及连接酶允许少量的A:G配对
,确会有1/2824的出错率。虽然与Intel曾经风波一场的Pentium芯片浮点运算出错
相比,还略胜一筹,但的确是十分严重的出错率了。正常的Intel芯片一般才
1/109的出错。由此作者提出了几点建议:提高连接温度,缩短连接时间,寡聚核
苷酸长度也应缩短,以及生物工程改造以生产高保真的连接酶等等。

此外,操作中如何减少DNA链的丢失也是减小误差的一个方面。Liu, Q.等摒弃
了让DNA链悬浮在溶液中传统做法,另辟捷径,将DNA固定在玻片表面进行操作
[15,16]。事实上,金、硅片也是很好的载体。Guo, Z.等对其中表面化学作了详尽
的研究[17]。此类方法使用适当的核酸外切酶对固定化了的DNA作选择性切割,以
达到筛选的目的。DNA链的损失由此可以降到最低程度。但同时出现的问题是,随
着问题规模的增大,能否提供足够的二维表面来作运算呢?

一点质疑

DNA计算机的概念问世后不久,就有研究人员指出[18],在类似于哈密尔顿路
径问题的NP难题中,真正难解的是图中路径既不多也不少的那些,即所谓的“
middle-ground”:n个顶点,有约n(log n)条路径。若路径很少或很多,已有十分
有效的算法可以解决[19]。由此估算:在Adlemann实验中的第一步,构建经n个顶
点的所有路径集合可用(log n)n表示,该集合所需的DNA为20n(log n)nbp。若n
增加为23,就需要kg级的DNA来构建第一步的总集合;若n为70,则这个量猛增到
1025kg之多,简直无法想象!

而现实世界中遇到的哈密尔顿路径问题往往具有成百上千的顶点,通过现有的
算法与计算机,可以方便地得到哈密尔顿路径的近似解。但用DNA计算机,哪怕将
编码每个顶点的寡聚核苷酸长度减少为1(事实上是不可能的,1b只能代表4个顶点
),也至少需要102-3bp来代表一条路径,那么一个穷极库就要4EXP(102-3)b之多
,即1070。这是一个无比巨大的数,已接近我们的宇宙中所有原子的总个数!

换言之,当NP问题规模逐渐增大时,电子计算机面临的是所耗机时的指数爆炸
,而DNA计算机面临的则是“可能解”库大小的指数爆炸。

但是应当看到,今天电子计算机之高速高效是近半个世纪以来飞速发展的结果
,而分子计算机才刚刚诞生。随着计算机学带来算法上的进步和分子生物学带来操
作上的革新,我们有理由相信DNA计算的光明前途。

DNA计算与生物进化

仔细考察Adleman实验,在连接反应中加入的`Oi可视作一种“强制指导者”。
因为从理论上讲,没有`Oi,Oi→j的随机连接照样可以创造出最终的哈密尔顿路径
来。但有了这种“强制指导者”,使得答案出现的机率大大提高了。那么,在生物
演化过程中,遗传物质的随机组合是否也有某种强制指导者存在呢?由于它使得变
异朝最可能成功的方向进行。若能找到这个强制因素,定是一个非同寻常的认识自
然的成就。

Stemmer则从另一个角度指出[20],不一定非要构建一个包含所有可能性的总
集合才进行DNA的搜索运算。自然进化也可以看作是在遗传库中筛选的结果,而这
个遗传库其实并不大(如地球上人类共有5×109个个体)。但筛选这个中等规模的
库仍然可以产生十分复杂的DNA序列,关键就是得益于多次、反复、递归的选择过
程。这意味着最佳答案可以在一个库经扩增、变异成为第二个库的过程中反复地选
择。它胜过了任何在单一库中的筛选。

举例来说,人类基因组大约编码100,000个蛋白质,即使只有300个氨基酸组成
的小蛋白,它们可能的基因也有20300(即10390)之众,若是从一个完整的库中一
次筛选得到,这个库该有多么大呢?!所以说不可能有如此巨大的基因库可以使一
步到位的筛选成功。同样,要在5个位点得到5个特定的8bp内切酶位点,照“一步
筛选法”,就需(48)5=1024之库规模,也是不可能的。但是若分步筛选,每一
步在48大小的库中筛选一位点,五步完成却是十分实际可行的。

自然变异可以是性别、同源重组、以及点突变等进程,而体外进化的研究中,
重组可以通过所谓“有性PCR [21]”进行。这也为DNA计算机的发展提供了一条有
用的线索。

DNA计算的前景

DNA计算机的出现引起了世界上诸多科学家的关注。1995年4月,近两百位计算
机学家、分子生物学家聚集在Princeton大学对DNA计算进行了热烈讨论,憧憬其发
展前景,大大开拓了它可能的应用领域。

Lipton和他的两个学生Boneh和Dunworth称已发展了一种方法来解DES密码
[22,23]。所谓DES(data encryption standard system),是由美国国家安全局研
制开发的一套加密系统,为政府及众多公司所采用。它使用256种密钥进行加密,
若在现有计算机上将如此多的密钥一一尝试来解码,得化费几乎无限多的机时。然
而应用DNA计算,Lipton他们用DNA链来构建所有可能的密钥,然后并行尝试。据称
经若干月的分子生物学操作,最终可以拿到对应DES正确密钥的唯一一条DNA。

除了可以解决NP类的问题,DNA计算机能否发展成可解决一切计算问题的普遍
性计算机呢?答案是肯定的。事实上,Guarnieri等已成功地解决了两个二进制非
负整数的相加[24]。要设计DNA普遍性计算机,这正是所要求的最基本的运算步骤
。作者通过巧妙的编码,使得两数对应位的相加变为结果链在所投入的加数的几种
寡聚核苷酸中的杂交选择、而后延伸的分子生物学反应,经PCR循环(实为单向
PCR)富集结果链,作下一步的相加运算。作者称之为“水平链式反应”,意为每
一步反应为结果链在投入寡聚核苷酸为模板指导下的延伸。最终结果可通过适当的
杂交、或PCR、或直接的DNA测序读得。

此外,Adleman领导的研究小组提出了一种“胶水模型 [25]”,可以重复使用
DNA,完成读、写的记忆操作。但目前,由于实际操作上的困难,该模型还只具有
理论研究意义。

另一类富有前景的计算模型是利用DNA的自装配行为。很早人们就已发现DNA除
了双螺旋结构外,还存在着许多异常结构[26,27,28],如节点[29]、Holliday交叉
[30]、octahedra[31]等。人们发展了“序列对称最小法[32]”技术来研究DNA一级
结构与形成其异常高级结构的关系,可以设计合成各组分,使它们在溶液中杂交形
成所需的特殊结构。Winfree等由此考虑可利用这一自装配特性作为计算工具[33]
,指出复杂分枝结构“双交叉[34]”通过自装配形成二维片状或三维球状过程是强
大的计算模型。至少自装配成二维片状模型是确实可行的。

结 语

DNA计算的未来必定在两方面上有所突破:算法上,需要解决的是如何避免
DNA用量的指数扩增,以便充分发挥DNA并行运算的优势,真正解决大规模的计算难
题;实验操作上,随着生物学自动化设备如bio-robot[35,36]、
biochip[37]/microarray[38]等系统的研制开发,必将有助于DNA计算机摆脱目前
生物技术如凝胶电泳、亲和层析、分子克隆等慢速、低信噪比的束缚,向高速化和
精确化迈进。

尤其重要的是,DNA计算大大开拓了我们对计算的认识,使人们重新思考什么
是计算机。在这以前,人们从没有想到过普通的DNA连接反应里居然蕴藏着如此巨
大的计算能力。那么在细胞中进行的其他酶促反应是否也如此呢?转录、翻译调控
对细胞生命行为起着巨大的作用,在它们的背后是否存在着某种计算机制呢?这些
机制又能否应用到科学计算中去呢?都将有待于分子生物学与计算机学的进一步发
展与合作。

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星期日, 一月 07, 2007

量子密码:终结黑客的梦想

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  科学家们认为它是最安全的密码,最高明的黑客也将对它一筹莫展。

  美国《商业周刊》把它列在了“改变人们未来生活的十大发明”的第三位。

  上个世纪90年代以来,越来越多的科学家醉心于量子密码的研究。2004年6月3日,世界上第一个量子密码通信网络正式投入运行,使得科学家们“绝对安全密码”的梦想向现实迈近了一步。

  无法破译的数据

  马萨诸塞州的剑桥城在美国名声显赫,并不仅仅是由于它风光宜人,更是由于这里有着美国人最引以为豪的哈佛大学和麻省理工学院,是美国新技术的摇篮。世界上第一个正式投入量子密码通信网络正是诞生在这里。

   乍看起来,这个由美国BBN技术公司研发的量子密码通信网络和现有的宽带网并没有太大的不同——采用普通光纤传输数据,并且与普通网络完全兼容。与普通 网络不同的是,该网络中传输的数据采用了量子密码技术进行加密。目前,网络有6个节点,已经从BBN公司铺设到了哈佛大学,预计今年年底将延伸至波士顿大 学。

  BNN公司的负责人声称,采用量子密码术加密的数据是不可破译的,一旦有人非法获取这些信息,使用者会立即知道,并采取措施。

   他们假设了黑客入侵网络的场景:黑客必须用一个特殊的接收设施从一连串的量子中“吸”出一个来获取信息,但这样一来,发出量子密码的一方立即就会发现量 子流中出现了空格。为了避免被发现,一般黑客会再发射一个量子来填补这个空格。但是,由于“量子密码”是采用量子的极化方式(波的运动方向)来编排密码 的,而根据量子学原理,要同时检测出量子的4种极化方式,几乎毫无可能,黑客填补进去的量子只能是根据自己的猜测随便发射的——这样,这个“不合群”的量 子很快就会被发现,从而防止信息被窃取。

  “神秘的远距离活动”独一无二

  自人类文明诞生伊始,就有了保密的需要。古希 腊的斯巴达人把重要的信息写在一条大约1厘米宽、20厘米长的羊皮带上,写的时候,把羊皮带一圈一圈呈螺旋状绕在特定粗细的木棍上,然后从左到右开始写, 写完一行,将木棍旋转90度,再从左到右写。这样,写完之后,从木棍上解下的羊皮带上的字,就是一段密码。收到羊皮带的人,再把它缠绕到同样粗细的木棍 上,才能读出完整的信息。

  后来,人们渐渐开始利用数学计算方法,用复杂的数字串对信息进行加密。然而,再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机的诞生,就是为了破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展,破译数学密码的难度也逐渐降低。

  上个世纪90年代开始,科学家们的眼光锁定在了“量子密码”上。

   “量子密码”就是用量子状态来作为信息加密和解密技术的密钥。其原理就是被爱因斯坦称为“神秘的远距离活动”的量子纠缠。光子被分割开之后,即使相距十 分遥远,也是相互联结的。只要测量出一个“被纠缠”光子的属性,就很容易推断出其他光子的属性。而这些相互纠缠的光子产生的密码,只有通过特定的发送器和 接收器才能阅读。

  更重要的是,这些光子之间“神秘的远距离活动”是独一无二的,只要有人非法破译这些密码,就不可避免地要扰乱光子的性质,而且,异动的光子会像警铃一样会显示出入侵者的踪迹。再高明的黑客对这种加密术也将一筹莫展。

  各国发力“量子密码”

  这种绝对安全的“量子密码”将最先运用于军事、国家安全等领域,并成为各国科学家角逐的新战场。

  2002年10月,德国慕尼黑大学和英国军方的研究机构合作,在德国、奥地利边境的楚格峰和卡尔文的峰之间用激光成功传输了量子密码。这项研究的负责人慕尼黑大学教授哈拉尔德·魏因富尔特在报告中表示,这次试验传输的距离达到了23.4公里。

  今年5月,日本的科学家称他们开发出传输速度最快的量子密码,实验中,研究小组利用10.5公里长的光纤进行信号传递,接收一方用光子探测器降低干扰,大幅缩短了传送时间,使得通信时间缩短到原来的1/100。

  中国也在近几年展开了量子保密通信系统的研究。2003年7月,中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室的科学家在该校成功铺设一条总长为3.2公里的“特殊光缆”——一套基于量子密码的保密通信系统。

  由于在光纤传输过程中,光子很容易消耗,目前量子密码还只能在短距离内传输。一旦这个瓶颈被突破,量子密码将迎来大发展。科学家们表示,保密与窃密就像矛与盾一样形影相随,它们之间的斗争已经持续了几千年,量子密码的出现,将成为这场斗争的终结者。

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前沿报道:20年后量子电脑叫板人脑

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“上帝情结”似乎与人类历史一样久远,神学家试图创造“上帝”,让全人类去信仰;而科学家却创造出越来越像人,至超越人类的具有“智能”和“灵魂”的工具,使人类自己成为工具的“上帝”。

   日前,美国IBM利用5个原子作为处理器和存储器,开发出量子计算机的实验机。清华大学量子计算机实验室完成了利用2个原子进行量子计算的实验;1克生 物计算机的DNA所能存储的信息量可与1万亿张CD光盘相当,其“知识水平”远远超过了人脑的极限,但它们始终听从人类的安排。在量子计算机和生物计算机 方面的成就,使人类越来越有了“上帝”的感觉。

  -硅片时代,2020年终结

  专家预计利用分子键存储数据的“生物芯片”将在2007年投放市场;使用光子而不是使用电子处理信息的计算机将在2014年进入商业市场:计算机将在2015年利用神经网络执行30%以上的任务……

  自计算机问世50多年来,运算速度已提高了约10亿倍。在最新一代芯片中,晶体管之间的连接导线的厚度已被蚀刻到只有0.18微米,是人发的1/500。

  人类对于信息处理更快、更强的追求永无止境。一些科学家认为,正因为其在信息存储和处理上独具优势,量子计算机和生物计算机有可能为计算机进一步发展另辟蹊径。

   科学家认为,电路线宽在0.1微米以下将不可避免地达到仅有单个分子大小的物理学极限,并预言,到2020年,传统计算机在信息存和处理方面不可能有大 的发展。日本大规模生产的线宽只有0.13微米的芯片,将在今后两年中得到广泛应用;在今后3—5年内,科学家将攻克0.1微米的壁垒,这就意味着传统计 算机的发展将走入穷途末路。

  -量子计算机破译最高机密轻而易举

   量子计算机突出的优点有两个,一是能够实现量子并行计算,可加快解题速度;二是由于量子叠加效应,n个量子位可存储2的n次方个数据,大大提高了存储能 力。如果对一个400位长的数字进行因子分解,即使使用世界上最快的巨型机也要用10亿年(人类的历史才300多万年),但如果用量子计算机求解,只要1 年左右的时间就足够了。

   量子信息与量子测量教育部重点实验室、清华大学物理系龙桂鲁教授说:“由于量子计算机破译密码的超越性能充分显示了量子计算机的巨大前景,从1994年以 来,世界各国的科学家纷纷涉足这一领域。如果哪一个国家率先研究成功将量子计算机投入实用,对于其他国家来说,国防、银行、网络、商业等一切领域都可能无 密可保!”

  -量子计算机能替代核实验

  日前,美国IBM公司研究员、华裔科学家艾萨克·庄领导的科学家小组制成的实验模型仅是装着5个氟原子的一组玻璃试管———利用5个原子作为处理器和存储器开发出的量子计算机实验机。

  龙桂鲁教授说,该研究小组研究最新成果对外保密,现在我们还不知道实验机的结构。今年2月份,我们已经利用2个原子进行量子计算,并提出了量子相位匹配条件和十几类问题的量子算法。中国科技大学和武汉物理所也取得了显著成果。

   艾萨克·庄介绍,量子电脑是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的电脑。它以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存,其运算能力比目 前以微型晶体管电路为基础的传统计算机快几亿倍!根据目前正在开发中的量子计算机看,它和现有计算机类似,主要由存储元件和逻辑门构成,但是它又同现在计 算机上使用的这两类元件大不一样。

  龙桂鲁教授说,量子计算机由于速度快和存储量大,可用来模拟核试验,它能模拟多种变化的复杂情况,只要把准备进行核试验的材料数据输入量子计算机,它就可以很快得出反应结果。

   龙桂鲁教授说,我们认为量子计算机要投入实用大概需要成千上百个量子的共同叠加,如果取得关键性技术的突破,实用的量子计算机有可能在5-15年内取得 成功。印度国家研究所的科学家苏达尔尚最近预言,量子计算机将在今后5年内问世,它将在诸多方面突破现有计算机模式。甚至,量子计算机的外形和输入输出方 式也可能与现有的计算机迥然不同。

  -生物计算机离智能并不遥远

  与量子计算机一样,生物计算机也是未来新型计算机之一。自从1994年提出DNA计算机概念以来,世界上所有发达国家都在加紧对生物计算机进行研究开发。

   美国洛杉矶加州大学研究小组开发出名叫“环连体”(catenane)分子微型开关,这些细如毛发的开关可以重复开启和关闭,从而有可能用来制造随机存 取存储器。随机存取存储器是计算机中的关键设备,这意味着离生产“可以编织在衣料中”的生物计算机时代已经不会太远了!

  科学家设计的生物计算机模型中DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同,在DNA计算机中,信息将以分子代码的形式排列于DNA上,特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。

   DNA计算机技术的诱惑力,在于其和传统硅技术相比所具有的巨大存储能力:一克DNA所能存储的信息量,估计可与1万亿张CD光盘相当;数百万亿个 DNA分子拥有可感受和回应周围环境的所有计算结构,可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作,这一并行处理能力据认为可与目前功能最为强大的 超级电子计算机媲美。

  -生物计算机代替人进行临床试验

  对于生物计算机将来的用途,研究人员有种种设想。其中一项就是让它代替人进行新药物临床试验,它通过运算可以模拟人体的多种变化情况,只要把药品的成份描述输入生物计算机,就会得出反应结果。

  最近日本东京大学科学家,让30个碱基按照不同的排列组合成不同的DNA,并使这些DNA具有不同的数学意义,然后把它们放在试管中进行化学反应,对名叫“3—SAT”的数学难题的演算结果表明,它在一瞬间就区分了正确解和不正确解。

  研究者指出,将生命活动的指令进行编码的遗传分子DNA和RNA里可储存比常规存储芯片更多的数据,试管状的生物计算机中含有大量遗传物质片段,每一个片段就是一个微型计算工具,因此生物计算机能同时进行数千次甚至上百万次计算。

  普林斯顿大学副教授劳拉·兰德韦贝说,生物计算机并不能立即投入应用,也有可能永远不会彻底取代以硅芯片为基础的传统计算机,但它的出现丰富了计算机概念:计算机可以是算盘,可以是任何式样的东西,DNA计算机则可谓是计算机的抽象派作品。

  -“原创科技”———世界领先的机遇

  “所谓原创科技就是原来没有原理、方法、技术等,所有研究工作都需要从头创起。在传统计算机领域,中国有的专利很少。”北京大学微电子学研究所副所长张兴教授说,“由于高新技术专利的保护,要应用这些技术,每年我们要花大量的钱去国外买技术。”

  量子计算机、生物计算机现在还不成熟,潜力巨大,谁先研究出来,谁就会被世界共认。龙桂鲁教授说,对于中国来说,如果在基础投资方面跟得上,这将是取得世界领先技术新的机遇和希望。

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量子电脑随机性真惊人

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  6月17日,金融时报约翰·惠特菲尔德(JohnWhitfield)报道称,在一定程度上,今天这个一切电脑化的世界还得依赖一个电脑自身无法产生的特性:随机性。

  例如,在网上的隐私保护和金融安全,就得依靠一串串随机产生的数字,以给电子商务和其他敏感信息交流活动中传递的信息加上密码。


  随机数字也是赌博网站和博彩的基础,不管它是不是去决定谁赢得航海的机会还是哪个雇员要接受毒品测试。它们对那些想模拟天气模型或股市行情之类复杂系统的科学家来说也是至关重要的。

  但是,尽管电脑对随机数字的“胃口”很大,它们本身却不能产生随机数字,因为电脑所做的一切都是按照规则。而从定义上说,只要有规则,就没有随机性。

  “问题是,如何让被设计好精确运行的东西做想不到的事情。”旧金山“系统专家公司”电脑安全咨询师兰东·科特·诺尔(LandonCurtNoll)说,“如果一台电脑作出一些令人想不到的事,通常我们都会送它去修理。”

  对随机数字最大的需求来自密码业。电脑用以一套数学规则和一个密钥,将信用卡号之类的机密信息转化成难以破戒的冗长乱码。密钥是一长串数字,用于控制对信息的加码和解码。

   无论加密的过程多么复杂,如果电脑黑客或诈骗老手获得了密钥,他们就能解读信息。同样,密钥中的任何模式都会让他们找到攻击点,“惟一能够保护信息交流 的措施是选择一个难以猜测到的密钥。这就是随机密钥”日内瓦大学的物理学家格利高里·里波迪(GregoireRibordy)说。从该大学分立出去的公 司IDQuantique就销售一种能产生随机数字的设备。

  同样,一个网上赌场如果显露出任何可预测性,很快就会倒闭。研究者们也希望确保他们的模拟能真正反映他们所研究的任何过程,同时不被数学计算上的意外结果误导。“确实有一部分科学研究结果被它们的随机数字的低质量所破坏的。”里波迪先生说。

   目前,大多数电脑使用的通过数学程序产生的数字串看起来像随机数字,其实不是。1990年代中期,加利福尼亚的电脑专家曾通过破解生成这种“并不随机” 的随机数字的程序,而攻破网景浏览器的保密安全。虽然现在这类生成程序很难被破解了,但它们还远远没到完美而无懈可击的地步。“随机性没有被恰当地利 用。”诺尔先生说,“问题很严重,并且没有被很好地认识。”

  在一串随机数字中,所有数字(无论是以二进制、十进制还是其他任何进制)的出现频率都应该相同,在一个序列中抽到一个数字的概率不受之前抽到的那个数字的影响:在某个位置抽到数字2并不会让你接下来抽到数字0的机会增加或减少。

   但是把真正的随机性与纯粹一团乱码区分开来是很困难的。即使在随机性中也会出现似乎有迹可寻的现象:在随机数字的无穷序列中,每一种数字组合都可能出现 ——比如一千个4排成一排,圆周率的数字,1957年英国郡县板球赛比分等等。美国政府对这个问题十分重视,专门启动了一个项目,要求随机数字生成程序接 受复杂的数学测试,以检验起随机性。

  生成随机数字的一种好方法是从电脑之外事物的物理过程中抽取数据。科学家也已经拿出了各种独特的方 案将这种数据融合进电脑中。1996年,诺尔先生和他的同事申请了一种密码生成器的专利,他们用一部摄像机对准一台“熔岩灯”(lavalamp),用电 脑将灯架玻璃瓶内无规律生成的泡泡转化成数字。去年,这支团队又制造出另一种生成器,这种生成器基于一部盖上镜盖的网络摄像头。电脑将这个摄像头黑漆漆内 部的电子噪音转化成数字。他们将这种转化程序放在他们的网站www.Lavarnd.com上,免费供任何人下载使用。

  都柏林三一学院的计算机科学家麦兹·哈尔(MadsHaahr)也采用了类似的方法。他的网站www.random.org能将简易的便携式收音机调到空白波长时发出的白噪音转化成数字。哈尔先生和他的同事们在为一个网上赌场工作时想到了这个点子。这个赌博网站生意一直不怎么样,但哈尔先生现在每秒钟可以向他网站的访问者提供多达4000个随机数字。

   在光顾哈尔的常客中,有采用随机方式设计锁的锁匠,有音乐家,纺织品设计师,还有用数字玩塔罗牌或算易经的技术神秘主义者。心理玄学师用随机数字生成器 来验证人的思维是否能够预测或影响它们产生的结果。哈尔先生也满足赌场操盘手和进行随机药物测试的研究者之类更常规的需求。

  “我对随机数字能派这么多用场而感到惊讶。”哈尔先生说,“所以我在满足需求上有点问题。”他有两台收音机同时运行,现在正计划增加到三台。

  研究者也许会很乐意从互联网上下载随机数字。但是像赌场或网上商店这样需要绝对保密的生意则不愿意这样。

  科技公司正在努力满足需求。芬兰电脑公司Areanus计划从8月份开始销售一种价格为150欧元的软件插件,它能以每秒10万比特的速度将电子噪音转化成随机数字。

  “潜在客户正在测试生成密钥的原型单元。”该公司的软件工程师安德里斯·古斯塔夫森(AndreasGustafsson)说,“一些有兴趣进行财务模拟的人士也来向我们咨询。”

  诺尔先生说,最终,个人电脑和移动电话都将有这种内置式设备。事实上,这个趋势已经开始。最新几代英特尔奔腾芯片都有一个随机数字生成器,它根据自身二极管发出的噼啪声工作。

  你能信赖的随机数字

  电脑在产生随机性方面表现也许不出色,但大自然赐于了我们一个随机性的可靠资源:量子物理学。约翰·惠特菲尔德(JohnWhitfield)这样写道。

  量子论已经显示,像电子、光子这样的粒子运动完全无迹可寻。比如,越是确切地了解一个粒子的运动速度,就越是无法把握它的位置。

  所以,量子理论是产生随机数字的理想方式,一位加州电脑安全专家兰东·科特·诺尔(LandonCurtNoll)说,“这一基础物理学将防止你预测出即将发生的事情。”

  获得这种效果的方法之一,就是通过放射性衰变。有一种被称为Hotbits的网上随机数字生成器,用指向发射性氪标本的一个盖格计数器发出的噼啪声,来转化随机数字。但是,放射性电脑部件有明显的缺点。

  物理学家格利高里·里波迪和他在日内瓦IdQuantique公司的同事发觉,要把量子的不可预测性转化成随机数字,其实只要利用普通的光就可以了。

  他们的设备逐个向一个半镜面发出光子。光子通过镜子和被反弹回去的可能性各占50%,但是人们无法预先知道任何一个光子将走那条途径。电脑把每一次结果转化为1或0。“据我所见,这看起来确实是一个很好的解决方案。”诺尔先生说。

  IdQuantique在三月份开通了一个网站(www.randomnumbers.info)提供免费的随机数字,并开始卖一种安装在电脑内部的设备。一套基本的设备要花费1000欧元。它能在一秒钟内生成令人惊叹的400万比特随机数字。

  “从某种意义上说,这是第一台量子电脑。”里波迪先生说。理论上,量子微粒同时处在各种物理状态的能力可以用来制造功能强大的电脑,让它一次性做许多事情。而今天的电脑一次只做一件事情。但是物理学家们目前还只能用量子微粒进行简单的计算。


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量子科学:新时代的到来

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量子信息科学还是“婴儿”

首次提出量子隐形传态思想、首次提出第一个量子密钥分配协议的 IBM研究机构科学家Chair C.H.Bennett接受采访时说:“新事物出现时,人们总是期待它能对人类有所帮助。当年有记者问法拉利,电有什么用?据说有两种回答:一种是反问 ‘婴儿’有什么用,另一种是,不管怎么着,你总能从中获得税收。如果人们问我量子信息科学会给人类带来什么,我只能说,量子信息现在还是一名‘婴儿’。”

他还引用量子学说创建者之一Neil's Bor说过的话,“量子力学如果没有让你的脑袋疼痛,说明你没有懂量子力学。”他说:“量子信息相当复杂,当前大部分人认为不需要理解它,很多人难以意识 到它的存在。对量子信息的理解目前只对专家有要求,这是量子力学创始人的‘过错’。也许你知道,信息革命的结果是大家都习惯了摩尔定律,即计算机的处理能 力每18个月提高一倍,但它肯定不是一个很严格的定律,10年之后也许就不成立了。今后,传统计算机的研究也会像其他研究一样,可能只有小的进展,而很难 像现在这样快速推进。虽然我不认为量子信息一定会像电的发现那样带来翻天覆地的变化,量子计算机也不一定完全改变人们现在的生活方式,但它一定会使现在的 一些东西变得更容易。它的重要性不是技术上的革命,而是人们思维方式的革命。”

Chair C.H.Bennett相信,当一些小的量子产品出现后,人们便会对量子感兴趣。

在量子信息和量子密码领域作出杰出贡献、获得过Matsuo科学奖等多项奖项的美国斯坦福大学教授、日本国立情报学研究所研究员Yoshihisa Yamamoto介绍,对量子信息的研究,科学家已经在很多方面有了理论和工具,有的接近应用,但还需要商业化。就广义而言,研究者不仅要做量子密钥分 配,而且要做更广泛的网络。比如,通过量子隐态传送可以形成庞大的计算机,庞大的计算机需要量子中继器,而量子中继器需要三个基本元素——处理器、存储器 以及与量子传输结合的界面,但科学家目前还不知如何去构造它,这是极具挑战性的工作。

Yoshihisa Yamamoto认为,量子信息研究中最困难的是量子计算机,因为量子计算机的实现需要量子算法、量子计算模型、量子纠错机制和硬件等各个方面的突破性进展。尽管科学家在实验和理论上都取得了一些成果,但这些研究仍然处于非常早期的阶段。

量子信息产品在哪里?

在量子信息领域,量子密码通信产品具有标志性。因为量子通信密码无法破译,量子通信与传统密码相比具有明显的优越性。不过,这些产品目前还没有与人们的日 常生活产生直接联系,而是主要应用于国家安全部门。据中国科学院院士、中国科技大学教授郭光灿介绍,国际上第一条试验性光纤量子通信密码线路建在瑞士日内 瓦湖底,长67公里。继瑞士之后,2004年中国也建了一条从北京到天津长125公里的试验性光纤量子通信密码线路。

除了量 子通信密码,在日内瓦湖底建设第一条光纤量子通信密码线路的瑞士日内瓦大学的Nicolas Gisin教授,在计算机上给《科学时报》记者展示了他的另一个正推向应用的产品——量子随机数据产生器。他说,美国拉斯维加斯赌场就买了不少该产品,其 他方面也有一些应用。

在谈到量子科学的应用时,Yoshihisa Yamamoto给记者作了详细回答。他说,量子信息领域中产生的量子密钥分配器、精确测量仪、量子模拟器等都是最接近应用的产品。

量子密钥分配器是量子科学研究产生的第一个产品,但它必须克服通信距离的限制。为了破除限制,还需要高效低噪的单光子计数器。量子科学研究第二个可能使用 的产品是量子精确测量仪。它可以用来改进GPS的测量精度,提高基础物理实验的精度等。第三个接近于使用的系统可能是量子模拟器,它可以用来解决天气、气 候、交通管制、凝聚态物理中的多体复杂问题,而这是传统计算机不能解决的。第四个可能应用的产品是量子中继器,如果在全球范围内建立量子密钥分配网络,中 继器是必要的。

他说,前面三种产品的基本原理已经得到实验验证,剩下的只是工程问题,但量子中继器还没有被验证,也不知是否可以做出来。如果实现,量子信息领域的前景将非常好;如果不能实现,量子信息研究的应用将受到限制。

关于量子计算机,大多数与会者都认为,研究工作目前还处于非常初级的阶段。Nicolas Gisin说,量子计算机的最后应用肯定不是一般的打字机,而是被用来解决现在计算机解决不了的问题。它不可能一步完成,更多的可能是像传统计算机那样一 步步升级——起步时可能是比较简单的元件,然后进入模拟器阶段,最后达到最终目标。

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星期五, 一月 05, 2007

丹麦科学家称可将人化为光束实现瞬间传送

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丹麦科学家首次通过将物质转化量子信息,以光子为媒介实现远距离传递

将人化为光束,瞬间传送到遥远的另一个地点,这样的场景目前还只能在《星际迷航》等科幻电影中看到。不过,丹麦的物理学家们已经成功地将物体转化为量子信息,然后用光子进行传递,使物体在不通过外界接触下,实现了远距传送。

“远距传送”是指,通过将物体分解成量子,再利用量子远距效应,把原型量子的性质传送出去,瞬间到达目的地后,再把这些量子合成物体。即“用非物质接触联接的手段实现物理的传递”。

传送距离加大

科学家们以前只能做到,在一瞬间将单个原子通过与其性质类似的光子进行传送,实现短距离移动。据路透社5日报道,丹麦哥本哈根大学尼尔斯·波尔学院的尤金·波尔扎克教授,以及他领导的团队首次把物体转化为量子,并通过光子成功实现传送。

“这向前迈进了一大步,因为光子和物体是两种完全不同的物质:一种是信息传递的载体,一种是储存媒介。”波尔扎克教授4日在接受采访时解释说。据悉,波尔扎克研究小组的实验成功地将量子传递了半米远,而且传送距离还可能进一步加大。

以光子为媒介

“两个单一原子之间的量子传送在两年前已经由两个不同的研究小组实现,但传送距离不到一毫米,”波尔扎克说,“而我们的方法允许在更大距离实现量子传送,因为我们使用了光子作为载体。”据悉,在电影《星际迷航》中所设想的瞬移模式就是采用量子态远距传送的原理。

“这是在两个地点之间真正实现量子信息传送。量子信息与传统信息不同,它不可计量。其拥有更大的信息存储能力,而且无法被截获。因此使用量子信息传递将非常安全。”波尔扎克研究小组的实验成果将在《自然》杂志上发表。

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人物:爱因斯坦年表

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  1879年 3月14日上午11时30分,爱因斯坦出生在德国乌尔姆市班霍夫街135号。父母都是犹太人。父名赫尔曼·爱因斯坦,母亲波林·科克。
  1880年 爱因斯坦一家迁居慕尼黑。父同其弟雅各布合办一电器设备小工厂。
  1881年 11月18日,爱因斯坦的妹妹玛雅出世。1884年 爱因斯坦对袖珍罗盘着迷。进天主教小学读书。
  1885年 爱因斯坦开始学小提琴。
  1886年 爱因斯坦在慕尼黑公立学校读书。为了遵守宗教指示的法定要求,在家里学习犹太教的教规。
  1888年 爱因斯坦入路易波尔德高级中学学习。在学校继续受宗教教育,直到准备接受受戒仪式。弗里德曼是指导老师。1889年 在医科大学生塔尔梅引导下,读通俗科学读物和哲学著作。
  1890年 爱因斯坦的宗教时间,持续约1年。1891年 自学欧几里德几何,感到狂热的喜爱。开始自学高等数学。
  1892年 开始读康德著作。
  1894年 全家迁往意大利米兰。
  1895年 自学完微积分。中学没毕业就到意大利与家人团聚。放弃德国国籍。
  投考苏黎世瑞士联邦工业大学,未录取。
  10月转学到瑞士阿劳州立中学。
  写了第一篇科学论文。
  1896年 获阿劳中学毕业证书。
  10月进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理。1897年 在苏黎世结识贝索,与其终身友谊从此开始。
  1899年 10月19日正式申请瑞士公民权。
  1900年 8月毕业于苏黎世联邦工业大学。12月完成论文《由毛细管现象得到的推论》,次年发表在莱比锡《物理学杂志》上。
  1901年 3月21日取得瑞士国籍。
  3月去米兰找工作,无结果。
  5月回瑞士,任温特图尔中学技术学校代课教师。10月到夏夫豪森任家庭教师。3个月后又失业。12月申请去伯尔尼瑞士专利局工作。
  5—7月完成电势差的热力学理论的论文。
  1902年 2月到伯尔尼等待工作。
  和索洛文、哈比希特创建“奥林匹亚科学院”。
  6月受聘为伯尔尼瑞士专利局的试用三级技术员。6月完成第三篇论文《关于热平衡和热力学第二定律的运动论》,提出热力学的统计理论。
  10月父病故。
  1903年 1月与米列娃结婚。
  1904年 5月长子汉斯出生。
  9月由专利局的试用人员转为正式三级技术员。1905年 3月发展量子论,提出光量子假说,解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》,取得博士学位。
  5月完成论文《论动体的电动力学》,独立而完整地提出狭义相对性原理,开创物理学的新纪元。
  9月提出质能相当关系。
  1906年 4月晋升为专利局二级技术员。
  11月完成固体比热的论文,这是关于固体的量子论的第一篇论文。
  1907年 开始研究引力场理论,在论文《关于对性原理和由此得出的结论》中提出均匀引力场同均匀加速度的等效原理。6月申请兼任伯尔尼大学的编外讲师。
  1908年 10月兼任伯尔尼大学编外讲师。1909年 3月和10月完成两篇论文,每一篇都含有对于黑体辐射论的推测。
  7月接受日内瓦大学名誉博士。
  9月参加萨尔斯堡德国自然科学家协会第81次大会,会见普朗克等,作了《我们关于辐射的本质和结论的观点的发展》报告。
  10月离开伯尔尼专利局,任苏黎世大学理论物理学副教授。
  1910年 7月次子爱德华出生。
  10月完成关于临界乳光的论文。
  1911年 2月应洛伦兹邀请访问莱顿。
  3月任布拉格德国大学理论物理学教授。
  10月去布鲁塞尔出席第一次索尔维会议。
  1912年 2月埃伦费斯特来访,两人由此结成莫逆之交。10月回瑞士,任母校苏黎世联邦工业大学理论物理学教授。
  提出光化当量定律。
  开始同格罗斯曼合作探索广义相对论。
  1913年 7月普朗克和能斯特来访,聘请他为柏林威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。
  12月7日在柏林接受院士职务。
  发表同格罗斯曼合著的论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出引力的度规场理论。
  1914年 4月6日,从苏黎世迁居到柏林。
  7月2日在普鲁士科学院作就职演说。
  10月反对德国文化界名流为战争辩护的宣言《告文明世界书》,在同它针锋相对的《告欧洲人书》上签名。
  11月参加组织反战团体“新祖国同盟”。
  1915年 同德哈斯共同发现转动磁性效应。
  3月写信给罗曼·罗兰,支持他的反战活动。
  6—7月在阿廷根作了6次关于广义相对论的学术报告。11月提出广义相对论引力方程的完整形式,并且成功地解释了水星近日点运动。
  1916年 3月完成总结性论文《广义相对论的基础》。
  3月发表悼念马赫的文章。
  5月提出宇宙空间有限无界的假说。
  8月完成《关于辐射的量子理论》,总结量子论的发展,提出受激辐射理论。
  首次进行关于引力波的探讨。
  写作《狭义和广义相对论浅说》。
  1917年 2月,著述第一篇关于宇宙学的论文,引入宇宙项。接连患肝病、胃溃疡、黄疸病和一般虚弱症,受堂姐艾尔莎照顾。
  1918年 2月,爱因斯坦发表关于引力波的第二篇论文,包括四级公式。
  1919年 1—3月在苏黎世讲学。
  2月同米列娃离婚。
  6月与艾尔莎结婚。
  9月获悉英国天文学家观察日食的结果,11月6日消息公布后,全世界为之轰动。由此,爱因斯坦的理论被视为“人类思想史中最伟大的成就之一”。
  12月,接受德国唯一的名誉学位:罗斯托克大学的医学博士学位。
  1920年 3月母亲患癌症去世。
  夏访问斯堪的那维亚。
  8—9月德国出现反相对论的逆流,爱因斯坦遭到恶毒攻击,他起而公开应战。
  10月接受兼任莱顿大学特邀教授名义,发表《以太和相对论》的报告。
  1921年 1月访问布拉格和维也纳。
  1月27日在普鲁士科学院作《几何学和经验》的报告。
  2月去阿姆斯特丹参加国际工联会议。
  4月2日—5月30日,为了给耶路撒冷的希伯莱大学的创建筹集资金,同魏茨曼一起首次访问美国。在哥伦比亚大学获巴纳德勋章。在白宫受哈丁总统接见。在访问芝加哥、波士顿和普林斯顿期间,就相对论进行了4次讲学。
  6月访问英国,拜谒了牛顿墓地。
  1922年 1月完成关于统一场论的第一篇论文。3—4月访问法国,努力促使法德关系正常化。发表批判马赫哲学的谈话。
  5月参加国际联盟知识界合作委员会。
  7月受到被谋杀的威胁,暂离柏林。
  10月8日,爱因斯坦和艾尔莎在马赛乘轮船赴日本。沿途访问科伦坡、新加坡、香港和上海。
  11月9日,在去日本途中,爱因斯坦被授予1921年诺贝尔物理学奖金。
  11月17日—12月29日,访问日本。
  1923年 2月2日,从日本返回途中,到巴勒斯坦访问,逗留12天。
  2月8日,成为特拉维夫市的第一个名誉公民。
  从巴勒斯坦返回德国途中,访问了西班牙。
  3月,爱因斯坦对国联的能力大失所望,向国联提出辞职。6—7月,帮助创建“新俄朋友协会”,并成为其执行委员会委员。
  7月,到哥德堡接受1921年度诺贝尔奖金。并讲演相对论,作为对得到诺贝尔奖金的感谢。
  发现了康普顿效应,解决了光子概念中长期存在的矛盾。12月,第一次推测量子效应可能来自过度约束的广义相对论场方程。
  1924年 加入柏林的犹太组织,并成为缴纳会费的会员。
  6月,重新考虑加入国联。
  12月,取得最后一个重大发现,从统计涨落的分析中得出一个波和物质缔合的独立的论证。此时,还发现了波色—爱因斯坦凝聚。
  1925年 受聘为德苏合作团体“东方文化技术协会”理事。
  5—6月,去南美洲访问。
  与甘地和其他人一道,在拒绝服兵役的声明上签字。
  接受科普列奖章。
  为希伯莱大学的董事会工作。
  发表《非欧几里德几何和物理学》。
  1926年 春,同海森伯讨论关于量子力学的哲学问题。
  接受“皇家天文学家”的金质奖章。
  接受为苏联科学院院士。
  1927年 2月在巴比塞起草的反法西斯宣言上签名。
  参加国际反帝大同盟,被选为名誉主席。
  10月参加第五届布鲁塞尔索尔维物理讨论会,开始同哥本哈根学派就量子力学的解释问题进行激烈论战。
  发表《牛顿力学及其对理论物理学发展的影响》。1928年 1月被选为“德国人权同盟”(前身为德国“新祖国同盟”)理事。
  春,由于身体过度劳累,健康欠佳,到瑞士达伏斯疗养,并为疗养青年讲学。发表《物理学的基本概念至其最近的变化》。
  4月海伦·杜卡斯开始到爱因斯坦家担任终生的私人秘书。
  1929年 2月发表《统一场论》。
  3月,50岁生日,躲到郊外以避免生日庆祝会。第一次访问比利时皇室,与伊丽莎白女皇结下友谊,直到去世之前一直与比利时女皇通信。
  6月28日获普朗克奖章。
  9月以后同法国数学家阿达马进行关于战争与和平问题的争论,坚持无条件地反对一切战争。
  1930年 不满国际联盟在改善国际关系上的无所作为,提出辞职。5月,在“国际妇女和平与自由同盟”的世界裁军声明上签字。
  7月同泰戈尔争论真理的客观性问题。
  12月11日—1931年3月4日,爱因斯坦第二次到美国访问,主要在加利福尼亚州理工学院讲学。
  12月13日,沃克市长向爱因斯坦赠送纽约市的金钥匙。
  12月19日—20日,访问古巴。
  发表《我的世界观》、《宗教和科学》等文章。
  1931年 3月从美国回柏林。
  5月访问英国,在牛津讲学。
  11月号召各国对日本经济封锁,以制止其对中国的军事侵略。
  12月再度去加利福尼亚讲学。
  为参加1932年国际裁军会议,特地发表了一系列文章和演讲。
  发表《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》。1932年 2月,对于德国和平主义者奥西茨基被定为叛国罪,在帕莎第纳提出抗议。
  3月从美国回柏林。
  5月去剑桥和牛津讲学,后赶到日内瓦列席裁军会议,感到极端失望。
  6月同墨菲作关于因果性问题的谈话。
  7月同弗洛伊德通信,讨论战争的心理问题。
  号召德国人民起来保卫魏玛共和国,全力反对法西斯。12月10日,和妻子离开德国去美国。原来打算访问美国,然而,他们从此再也没有踏上德国的领土。
  1933年 1月30日,纳粹上台。
  3月10日,在帕莎第纳发表不回德国的声明,次日启程回欧洲。
  3月20日,纳粹搜查他的房屋,他发表抗议。后他在德国的财产被没收,著作被焚。
  3月28日从美国到达比利时,避居海边农村。
  4月21日宣布辞去普鲁士科学院职务。
  5月26日给劳厄的信中指出科学家对重大政治问题不应当默不作声。
  6月到牛津讲学后即回比利时。
  7月改变绝对和平主义态度,号召各国青年武装起来准备同纳粹德国作殊死斗争。
  9月初纳粹以2万马克悬赏杀死他。
  9月9日,渡海前往英国,永远离开欧洲。
  10月3日在伦敦发表演讲《文明和科学》。
  10月10日离开英国,10月17到达美国,定居于普林斯顿,应聘为高等学术研究院教授。
  1934年 文集《我的世界观》由其继女婿鲁道夫·凯泽尔编辑出版。1935年 5月到百慕大作短期旅行。在百慕大正式申请永远在美国居住。这也是他最后一次离开美国。
  获富兰克林奖章。
  同波多耳斯基和罗森合作,发表向哥本哈根学派挑战的论文,宣称量子力学对实在的描述是不完备的。
  为使诺贝尔奖金(和平奖)赠予关在纳粹集中营中的奥西茨基而奔走。
  1936年 开始同英费尔德和霍夫曼合作研究广义相对论的运动问题。
  12月20日妻艾尔莎病故。
  发表《物理学和实在》、《论教育》。
  1937年 3—9月参加由英费尔德执笔的通俗册子《物理学的进化》的编写工作。
  3月声援中国“七君子”。
  6月同英费尔德和霍夫曼合作完成论文《引力方程和运动问题》,从广义相对论的场方程推导出运动方程。
  1938年 同柏格曼合写论文《卡鲁查电学理论的推广》。
  9月给五千年后的子孙写信,对资本主义社会现状表示不满。
  1939年 8月2日在西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议美国抓紧原子能研究,防止德国抢先掌握原子弹。
  妹妹玛雅从欧洲来美,在爱因斯坦家长期住下来。1940年 5月15日发表《关于理论物理学基础的考查》。
  5月22日致电罗斯福,反对美国的中立政策。
  10月1日取得美国国籍。
  1941年 发表《科学和宗教》等文章。
  1942年 10月在犹太人援苏集会上热烈赞扬苏联各方面的成就。
  1943年 5月作为科学顾问参与美国海军部工作。1944年 为支持反法西斯战争,以600万美元拍卖1905年狭义相对论论文手稿。发表对罗素的认识论的评论。
  12月同斯特恩、玻尔讨论原子武器和战后和平问题,听从玻尔劝告,暂时保持沉默。
  1945年 3月同西拉德讨论原子军备的危险性,写信介绍西拉德去见罗斯福,未果。
  4月从高等学术研究院退休(事实上依然继续照常工作)。9月以后连续发表一系列关于原子战争和世界政府的言论。1946年 5月发起组织“原子科学家非常委员会”,担任主席。5月接受黑人林肯大学名誉博士学位。写长篇《自述》,回顾一生在科学上探索的道路。
  5月妹妹玛雅因中风而瘫痪,以后每夜念书给她听。
  10月,给联合国大会写公开信,敦促建立世界政府。
  1947年 继续发表大量关于世界政府的言论。
  9月发表公开信,建议把联合国改组为世界政府。1948年 4—6月同天文学家夏普林利合作,全力反对美国准备对苏联进行“预防性战争”。
  抗议美国进行普遍军事训练。
  发表《量子力学和实在》。
  前妻米列娃在苏黎世病故。
  12月,作剖腹手术,在腹部主动脉里发现一个大动脉瘤。
  1949年 1月13日,爱因斯坦出院。
  1月,写《对批评的回答》,对哥本哈根学派在文集《阿尔伯特·爱因斯坦:哲学家—科学家》中的批判进行反批判。
  5月发表《为什么要社会主义》。
  11月“原子科学家非常委员会”停止活动。
  1950年 2月13日发表电视演讲,反对美国制造氢弹。
  4月发表《关于广义引力论》。
  文集《晚年集》出版。
  3月18日,在遗嘱上签字盖章。内森博士被指名为唯一的遗嘱执行人。遗产由内森博士和杜卡斯共同托管。信件和手稿的最终贮藏所是希伯莱大学。其他条款当中还有:小提琴赠给孙子伯恩哈德·凯撒。
  1951年 连续发表文章和信件,指出美国的扩军备战政策是世界和平的严重障碍。
  6月妹妹玛雅在长期瘫痪后去世。
  9月“原子能科学家非常委员会”解散。
  1952年 发表《相对论和空间问题》、《关于一些基本概论的绪论》。11月以色列第1任总统魏斯曼死后,以色列政府请他担任第2任总统,被拒绝。
  1953年 4月3日给伯尔尼时代的旧友写《奥林匹亚科学院颂词》,缅怀青年时代的生活。
  5月16日给受迫害的教师弗劳恩格拉斯写回信,号召美国知识分子起来坚决抵抗法西斯迫害,引起巨大反响。为经念玻恩退休,发表关于量子力学解释的论文,由此引起两人之间的激烈争论。
  发表《〈空间概念〉序》。
  1954年 3月,75岁生日,通过“争取公民自由非常委员会”,号召美国人民起来同法西斯势力作斗争。
  3月被美国参议员麦卡锡公开斥责为“美国的敌人”。
  5月发表声明,抗议对奥本海默的政治迫害。
  秋因患溶血性贫血症卧床数日。
  11月18日,在《记者》杂志上发表声明,不愿在美国做科学家,而宁愿做一个工匠或小贩。
  完成《非对称的相对论性理论》。
  1955年 2—4月同罗素通信讨论和平宣言问题,4月11日在宣言上签名。
  3月写《自述片断》,回忆青年时代的学习和科学探索的道路。
  3月15日挚友贝索逝世。
  4月3日同科恩谈论关于科学史等问题。
  4月5日驳斥美国法西斯分子给他扣上“颠覆分子”帽子。4月13日在草拟一篇电视讲话稿时发生严重腹痛,后诊断为动脉出血。
  4月15日进普林斯顿医院。
  4月18日1时25分在医院逝世。当日16时遗体在特伦顿火化。遵照其遗嘱,骨灰被秘密保存,不发讣告,不举行公开葬仪,不做坟墓,不立纪念碑。

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美国科学家实现6个离子的“薛定谔猫”态

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根据量子力学理论,物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况,这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理?奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。

“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶 子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这 只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

显然,既死又活的猫是荒谬的。薛定谔想要借此阐述的物理问题是:宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和 宏观的猫联系起来,旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展,科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。此前,科学家最多使4个离 子或5个光子达到“薛定谔猫”态。但如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间,已成为实验物理学的一大挑战。

美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称,他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中,研究人员将铍 离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中,然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度,并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实 现“薛定谔猫”态,研究人员一方面提高激光的冷却效率,另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终,他们使6个铍离子在50微秒内同时顺 时针自旋和逆时针自旋,实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠,也就是“薛定谔猫”态。

奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说,他们在8个离子的系统中实现了“薛定谔猫”态,但维持时间稍短。

科学家称,“薛定谔猫”态不仅具有理论研究意义,也有实际应用的潜力。比如,多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件,也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。

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人物:海森堡

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海森堡(Werner Karl Heisenberg


海森堡(Werner Karl Heisenberg ) 德国理论物理学家,矩阵力学的创建者,生于维尔兹堡。1920年进慕尼黑大学,在索末菲指导下学习理论物理,并获博士学位。后来去格廷根大学,担任玻恩的 助手。1927年,26岁的海森堡任莱比锡大学教授。1941年任柏林大学教授兼凯泽·威廉物理研究所所长。1946年到哥廷根大学任普朗克物理学研究所 所长。1958年在德国慕尼黑任物理学与天体物理学普朗克研究所所长兼慕尼黑大学教授。
1925年海森堡发表第一篇矩阵力学的论文《关于运动学和动力学的量子力学解释》,认为量子力学的问题不能直接用不可观测的轨道来表述,应该采用跃迁几率这类可以观测的量来描述。接着,海森堡和玻恩、约尔丹一起进行研究,创立了矩阵力学。
1927年海森堡提出了测不准原理,即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量。1928年,海森堡用量子力学的交换现象,解释了物质的铁磁性问题。 1929年,他与泡利提出相对论性量子场论。1932年海森堡提出质子和中子实际上是同一种粒子的两种量子状态。此外,海森堡还创立了粒子相互作用的散射 矩阵理论S矩阵理论。
海森堡因创立量子力学而荣获1932年诺贝尔物理学奖。主要著作有:《量子论的物理学原理》、《原子核物理》、《物理学与哲学》等。

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人物:尼尔斯·波尔

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Niels Henrik David Bohr,

尼尔斯·波尔运用光谱分析来探索原子内部结构的第一次合理而又富有成效的尝试是在1913年进行的。为了解释原子吸收和发射,他力图把卢瑟福的有核原子模型和普朗克 的量子论结合起来,提出了著名的“波尔理论”——原子的定态假设和频率法则,成功地解释了氢原子的光谱规律。他认为,最简单的氢原子具有确定的、量子化的 能级。他假设,电子只有从一个允许能级向另一个较低能级跃迁时才辐射能量,而原子也只能以量子(hν)化的形式吸收能量,这里的hν对应于两个允许能级的 能量差。通过对原子结构的研究,他正确地预言,在复杂原子中,电子必须以“壳层”形式出现,而对一种具体元素来说,其原子的化学性质取决于最外层电子数的 多少。他的这一开创性工作,为揭示元素周期表的奥秘打下了基础。他使化学从定性科学变为定量科学,使物理和化学这两个学科建立在同一基础之上。

尼尔斯·波尔的名字是与下面两个原理分不开的。一个是“对应原理”(1916年),它是说原子的量子力学模型在线度很大时必定趋于经典力学;另一个 是“并协原理”(1927年),它指的是在不同实验条件下获得的有关原子系统的数据,未必能用单一的模型来解释,电子的波动模型就是对电子的粒子模型的补 充。

爱因斯坦曾经讲过:“波尔作为科学上的一位思想家之所以具有如此惊人的吸收力,是因为他对隐秘事物的直觉的理解力,同时又兼有如此强有力的批判能 力。”作为量子物理学的最有资格的代表,尼尔斯·波尔对物理学和人类的整个思维领域作出了多次根本性的重大贡献,留下了难以估价的精神遗产。

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量子小文:真有神出鬼没的事儿吗?(转)

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几乎没有人会相信神出鬼没、超距感应的事情,这类玩意儿只见于幻想小说或电影,像《星舰奇航记》、《西游记》。惊人的是,1997年以来,在国际 一流科学杂志上发表的不少论文中声称类似的事已经真的实现,研究热潮方兴未艾。此事发端于贝内特等6人的一篇论文,1993年他们根据纠缠量子的所谓非局 域关联提出了量子隐形传态思想和理论,该理论被认为是量子信息理论的重要组成部分。国内有专家把量子信息技术与20世纪的半导体、激光和核能技术开拓相提 并论,也有学者认为这是中国科学家有望问鼎诺贝尔奖的领域。量子隐形传态,也称量子离物传态或量子远程传态,有教授把它的实现看作是量子力学实验和理论方 面的新进展写进量子力学教材。他们认为,这种非局域关联或称非局域作用能使量子态从一个地方无需媒介瞬间转移到另一个地方,以至遥远的天边。爱因斯坦在 1947年3月给玻恩的信中称非局域作用为幽灵般的远距离作用,又在1949年写的“自传笔记”中把它比作传心术,不信自然界存在这样的作用。然而,在爱 因斯坦去世后不过十年,有一位物理学家叫贝尔,利用补充经典变量论证了实在量子的纠缠意味着量子行为的非局域性,并推出了一个不等式,此后许多所谓检验此 类不等式的实验几乎完全“证实了”非局域作用的存在。斯塔普称贝尔的工作是最有深远意义的科学发现。 贝内特等人的隐形传态理论是在这样的形势下顺理成章地问世和流传。 量子隐形传态被认为是量子信息理论和技术的范例,我们国内也特别受重视,也有令人赞叹的成就。据报道,中国科技大学潘建伟领导的研究组在量子纠缠态的制备 和量子隐形传态的实现方面取得了突破性进展,国际领先,曾获得英国《自然》杂志,美国《物理评论》,欧洲物理学会,美国物理学会,奥地利科学院和中国科学 院等的肯定或褒扬。无疑,量子隐形传态的可能性和实现问题,不仅关系到量子信息技术的开发,而且关系到两位物理泰斗爱因斯坦和玻尔争论的是非,关系到对量 子力学的合理诠释,关系到相对论和量子论的融合,以及关系到哲学和文化等,其重要性自不待言。

关于量子隐形传态,可以杜撰一个形象的 比喻,先把一个大面团对半分成两个,比作两个量子,把其中一个发给爱丽丝,把另一个发给鲍勃。现在有位柯莱儿要把一个馒头送给鲍勃,爱丽丝需要做的是,把 这馒头放进量子传真机与她的面团进行某种联合操作,此时假如指示器上报告操作得到某个结果,则她打电话把这个结果告诉鲍勃,那时鲍勃在他的接收机上只要按 一下相应的按钮令做一个简单的操作,就有一个由面团变成的馒头到手了。更有甚者,潘建伟说:“为什么我们不可以大胆一些,不可以想象:由各种各样分子组成 的人,也可以在瞬间,带着他所有的记忆,带着他的品质,带着他的痛苦和欢乐,甚至包括感冒,传输到遥远的地方?”(《中国青年》2004-12-30)

有一些量子隐形传态实验是用激光做的,有一个发射台,发射辅助隐形传态用的成对纠缠光子,假设一对中的一个光子发向爱丽丝,另一个发向鲍 勃。现在如果柯莱儿要发送一个携带无限大量比特信息的光子给鲍勃,她交给了爱丽丝办理。实际实验设备和操作是非常复杂的,简化地说,爱丽丝面前的设备由量 子态乘法器和分析器两部分组成,分析器上有4个报告分析结果的指示灯,各以00,01,10,11编号,鲍勃方面有量子态感应器和校正器。发送时,爱丽丝 把柯莱儿的光子与那辅助的光子输入乘法器得到处于积态的一对光子,再把这对光子输入分析器,并注视哪个指示灯亮起。因为量子态预示的测量结果是几率性的, 所以各灯亮起的几率是1/4,至于哪个灯亮起则是随机的。假如爱丽丝发现01号灯亮起,则按贝内特等人的理论,量子隐形传态过程已经“成功”,即鲍勃手头 的光子的态已经变成了与发送态相近或相同的态。如果爱丽丝打个电话把结果“01”告诉鲍勃,则他按照“01”指定的简单线性变换对感受到的态做一下校正, 就获得同柯莱儿交发的一模一样的光子了,它携带着来自柯莱儿的无限大量比特信息。妙哉!这里传输无限大量比特信息只用了2比特信息。研究者深信这种通信技 术的可行性是量子力学原理所“保证”的。说到这儿,也许有人不禁要问,真有这样奇妙的事儿吗?这里所谓的传态过程“成功”是否虚假?量子纠缠是怎么回事?

我们先探讨量子纠缠从何而来。这要从量子干涉现象谈起,在弱光的双缝干涉实验中,探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部分, 即有一个反映能量集中的峰,而出现的干涉条纹好像暗示它还具有鲜为人知的峰外部分,因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与不含峰片的自身联合。爱因 斯坦在1909年写道:“我总是认为,目前最自然的观点是:光的电磁场的出现是同奇点相联系的,就像静电场的出现遵循电子理论一样。不能排斥,在这样一个 理论中,电磁场的全部能量,可以看作是定域于这个奇点,完全像过去的超距作用那样。我设想,也许每一个这样的奇点都被一个力场围绕着,这种力场在本质上具 有平面波的特性,而其振幅随同奇点的距离的增长而减小。”(爱因斯坦全集二卷505页) 虽然他曾自称50年思考还未接近光量子是什么的解答,但是上述观点近乎定性地说,一个量子实体包含一个波包峰和其峰外部分。事实上已能做到在相对论框架内 用不会发散的线性波包来描述一个自由量子,其中与动量和能量相关的特征分量即是量子的波函数。对这种描述有人接受,有人不屑一顾。不管如何,笔者深信,如 果量子没有峰外部分就不会有量子干涉,不会有量子纠缠,也不会有其它种种量子怪事。

我们再探讨量子是如何纠缠的。前面所述的那对辅助 光子是用高功率激光在非线性晶体中产生的纠缠光子,通常说,其中光子A发到爱丽丝处,光子B发到鲍勃处,其实这种说法无异于视光子为经典实体。如果视光子 为上面所述那样的量子实体,则可以设想,当光子B的含峰片包括其平面电磁波向鲍勃方向运动时,它的一个不含峰片包括其平面电磁波同时跟着光子A的含峰片 走,如影随形、永不分离,且二者与生俱来叠加干涉。同样,A的一个不含峰片也跟着B的含峰片走。并且,如果爱丽丝对光子A的含峰片进行测量,它的伴随者也 必然受到同样的测量,它们仿佛同呼吸共命运;甚至若B的含峰片连同其伴随者在鲍勃处被毁了,在爱丽丝处A的含峰片的伴随者也还总是“阴魂不散”,真所谓, 远在天边,近在眼前。这可能就是量子理论中二光子纠缠数学表示式所反映的真实情景,那种叠加成分的永不分离性是量子纠缠的根本特征。上述与生俱来的叠加干 涉决定着爱丽丝和鲍勃双方实验测量结果的非经典关联,这种关联无关于无端的非局域作用,因此,量子纠缠并不意味着存在幽灵般的远距离作用,也不意味着量子 力学与相对论相抵触。特别需要指出的是,约翰?贝尔对量子峰外部分的存在毫无意识,所谓贝尔不等式是用“潜变量”把经典实体扮成量子实体推导出来的,因此 这类不等式根本不可以作为鉴别量子纠缠是否具有局域性的试金石,称贝尔的工作是最有深远意义的科学发现是无稽之谈。

上面只谈到在非线 性晶体中产生的二光子纠缠,而要用非线性晶体产生能用于实验的三光子纠缠还不太现实,据报道,这是因为现有材料的三阶非线性极化率很小以及受现有激光器的 功率限制。既然三光子纠缠产生的情况如此,不用说产生更多的光子纠缠了。为避开这种限制,奥地利泽林格指导的团队以及他影响下的研究组大胆采用线性光学器 件分束器来产生所谓三、四、五光子纠缠态。由于通过分束器形成的态的成分不具有永不分离性,所以他们所谓实现的三、四、五光子纠缠都不是真的量子纠缠。

我们知道,爱因斯坦因认为“量子理论含有幽灵般的远距离作用的意思”而“不能虔诚地相信”这个理论,反之,有很多人因欣赏贝尔不等式及其 检验证明量子力学正确而确信量子纠缠体现非局域作用,现在我们看到,上面所描述的量子纠缠情景能够把他们各方坚持的合理方面,即量子力学是正确的和不存在 非局域作用,融合起来,说明量子力学的本性是局域的,也就是说,它并不含有超距作用或超距感应的意思。我们也看到上述两种相反态度都带有对量子纠缠数学表 示形式的误解,而贝内特等人的量子隐形传态思想正是这种误解的产物,因此可以断言,量子隐形传态绝无可能性。既不可能,何来实现?

笔者在浏览有关文献后觉得,那些量子隐形传态的实验演示和结论中不无疑点,隐形传态是否真的已经实现还是个问题,真相分晓尚待时日。以笔者拙见,不仅量子 隐形传态,一切取决于超距感应的信息技术开发方案都不能指望成功,更不能指望通过这类实验来证明局域实在论思想失败。本来,激光技术及其它技术的成熟为量 子纠缠的应用开发创造了条件,无疑这是有科学意义和应用前景的研究方向,遗憾的是,国外和国内许多研究组被量子隐形传态思想误导步入迷途,加上其他因素, 他们的论著和宣传造成超距感应神话在科技和科普作品中泛滥。轻率做出实验结论以附和反局域实在论思想可是危险的,恐怕打着实验证明旗号的神话会严重危害科 学技术的发展和思想文化的进步。(作者:北京大学物理学院王国文)

小知识:量子纠缠Quantum Entanglement

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量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠 态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及 测量理论等量子力学的基本问题,并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。
多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态,而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上,纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫 态”的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义,近年来已在一些前沿领域中得到应用,特别是在量子信息方面。例如,量子远程通信。

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小知识:量子隧道效应

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量子隧道效应是现今世界的运输和通信的主要手段。这项技术已经存在并进化了超过一千年。量子隧道效应的出现把人类从近光速物理学的限制中解放了出来,使得对已知银河系的殖民成为了可能。

在量子隧道效应技术出现之前,运输和通信基于传统的物理学模型,因此被限制在接近光速。星系间的信息传输和旅行可能花费数周,数月甚至数年。

现在,跨越广大距离间的运输和通信几乎是瞬时完成的,只需花费数秒而不是数周,数分钟而不是数年。现代社会已经把量子隧道效应技术当作是理所当然的事物,但它确实是整个银河系量子网络的基础。

它能做什么?
在量子隧道效应技术的帮助下,通信是瞬时而可靠的。实际上被殖民的银河系的每个角落都被纳入了银河量子网络,仅仅(当然)被不同派别的领土分割开。

通过同样的量子网络完成物质负荷,包括部件,有机组织甚至生命形态的瞬时运输也是可能的。运输需要的硬件比通信更为复杂,有些人认为它也更危险,但在当今的安全措施被适当配置的情况下,运输过程是相当安全的。

单个量子隧道的通信和负荷运输被限制在一定的范围内。每个隧道的范围都有所不同,周围的恒星环境也会对传输范围产生正面或负面影响。大多数情况下,这个范围足够包括一个或多个最近的相邻星系。

量 子隧道效应开启了现代的探索,殖民和作战方式,单个单位,比如一个最高指挥官(CDR),可以以相对低廉的代价被运送到偏远的行星。通过这个单位,整个军 队可以使用目标地点的能量(energy)和物质(mass)被建造出来。一旦新的量子门或者灯塔在目的地建立起来,就可以经常性的往来于那个世界。


这就使Supreme Commander中的主要运输方式了,感觉上跟横扫千军战役里的那个星际门相似。不过这次应该不光是个摆设,在战场上也可以发挥作用了,否则这么大的地图,没法打。

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“全球首个”量子密码网络在美国问世

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  马萨诸塞州剑桥的美国BBN科技公司(BBN Technologies)和美国哈佛大学日前合作构筑了量子密码网络“DARPA量子网络”,并使用光纤成功实现了相互连接。这是BBN于2004年6月3日宣布的。这种网络的实现尚属“全球首次”(BBN科技)。

  为了防止信息泄露,经由互联网的信息处理一般使用密码,不过目前的密码技术都是采用复杂的数学算法对信息进行编解码。但是,“通过这种密码获得的安全 性虽然也很高,但也并不是完全可靠”(BNN科技)。而DARPA量子网络由于采用量子密码生成的密钥对信息进行编解码,即使是采用开放式网络通信,也能 够确保极高的安全性。

  量子密码将编解码使用的密钥进一步割、然后分配到一个一个的光子上。另外,通过经由光纤或无线方式传送光子、交换密钥。由于代表密钥的各光子都非常微 弱,如果信息中途泄露的话,其形态就会发生变化。因此,接收密钥的用户能够得知信息是否被别人盗取,一旦被盗取,不会及时做出不安全的判断并停止使用这些 密钥。这样,就可以确保一直使用安全的密钥进行编解码作业。

  该公司为了通过网状连接的被动光开关和加密键继电器实现多对多的量子密码系统,专门开发了相关协议。“(有了该协议)距离大规模实际量子密码网络的实现又近了一步”(BNN)。另外,BNN目前正在申请该协议的专利。

  DARPA量子网络目前连结了位于剑桥的BNN和哈佛大学,“剑桥的波士顿大学不久也将连入其中”(BNN)。

  另外,该网络的研究获得了美国国防部高级研究计划局(DARPA)的资金扶持。

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远距离量子网络研究新进展

美国物理学家近日宣布,两个远距离量子系统能够被同步,这样,如果一个系统发生变化,会引起另一个系统的变化。这个研究小组由加州理工学院的Jeff Kimble领头,他们表示,这种同步化可以在一定程度上便于实时控制,而在以前这是做不到的。

量子网络在一系列的量子通讯和信息框架中扮演着关键角色,这种量子信息系统可以为人类提供安全的信息交换方案,同时还具有比传统电脑快得多的速度。

一个具有可操作性的量子网络需要通过不同的节点来实现同步化运作。文章作者认为需要根据两个量子节点设计一对相同的光子来。他们已经准备了一个可以释放单一光子的节点,但在最后释放光子之前,他们需要等另一个节点也准备妥当。

研究人员表示,相比起没有这种条件控制的情形,这种方法大大增加了两个光子被同时释放出来的可能性。

这些物理学家们还表示,他们相信他们的技术对于开发量子网络具有重要作用。

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星期四, 一月 04, 2007

三菱ITU电信展展出量子保密通信

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三菱电机在
ITU TELECOM WORLD 2006上展出了量子密码通信系统。

量子密码是指把信号搭载在光子上发送的加密通信方式。运用了量子力学的不确定性原理,发送信息如果被第三者盗取的话,所发送的信息会自动改变。由于运用了物理现象,比目前普遍采用的数学式密码安全性更高。

该公司的量子密码通信系统不是对信息本身而是对共用键进行加密。通信速度目前还被限定在8bit/秒左右。这一通信速度是采用1MHz的光子源、传输96km距离的通信速度。之所以不能提高通信速度,原因在于从光子源发射的光子有限,在传输过程中还会有所损失等。

此次的展出没有嵌入量子密码所需的光学装置,只是利用笔记本电脑进行了模拟。

该研究是受日本信息通信研究机构(NICT)的委托,开发项目是高度通信传输研究。受托时 间为2006财年~2010财年末,期间要实现1Mbit/秒、50km传输的目标。该公司表示,今后将通过把现行频率1MHz的光子源提高到1GHz、 提高接收方的灵敏度等来实现这一目标。

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星期一, 一月 01, 2007

量子计算机:颠覆传统

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有专家预测,大约 20 年后传统计算机将达到它的“物理极限”。人们自然提出如下问题 :能不能按照量子力学的原理在原子的尺度上制造一种全新的量子计算机 ?这种机器的性能是否能够超越传统的计算机?

社会经济与科技发展需求迫切

研发量子计算机的意义

研究量子计算与量子计算机是社会经济与科技发展提出的迫切需求。现代电子计算机诞生于 1946 年,半个世纪以来,科技的不断进步使计算机的性能有了突飞猛进的发展。仅就计算速度而言,第一台电子管计算机ENIAC 的速度只有5000 b /s (比特/ 秒),而现代高性能计算机的运算速度已经高达万亿次,半个世纪的时间,计算机的速度竟提高了10 亿倍。从这个角度看,飞速提高的计算机性能似乎足以满足社会进步与经济发展不断提出的需求。

但事实上,计算机性能的改进却始终赶不上人类不断增长的信息处理的需求。当今人类社会进步与经济发展向计算机提出了几乎是无止境的需求,而且随着计算机的 出现,以及因特网的普及更加大了这个需求。我们知道, 1950 年在计算机普及之前,世界范围内信息量的增长速度是每150 年翻一番;随着计算机的广泛应用,1950 ~1960 年间信息量的增长达到每10 年翻一番;1960 ~1992 年间缩短为每5 年翻一番。人们预计2020 年以后信息量每73 天就要翻一番。这说明计算机性能的提高远远满足不了人类社会信息量的增长所提出的需求,目前计算机处理海量数据的能力非常薄弱。因此,研制更高性能的计算 机始终是信息领域的重要课题。

量子计算机对 IT 技术未来发展的影响

半个世纪以来 , 电子计算机的基本原理——图灵机没有任何改变,它们都是建立在对“比特”的操作上。具体地讲,一个比特就是二进制中的一位,它可在{0 ,1} 中取0 或者1 。在实际的电子计算机中,一个比特总是通过一个具体的物理载体(如电子管、晶体管或集成电路等)实现,所以电子计算机可以看成是运用传统物理学原理对大量 “比特”实施操作的机器。

尽管计算机的性能起了巨大的变化,但这个原理却没有改变,机器性能的提高主要靠的是缩小元器件(物理载体)的尺寸。大家知道,由于半导体工艺与技术的不断 进步,几十年来,集成电路的尺寸一直按照所谓的“摩尔定律”,以每 18 个月缩小一倍的速度持续发展,从而使计算机的性能指标(如计算速度、存储密度等)取得了每18 个月翻一番的巨大成就。目前集成电路的特征尺寸已经降到了几十个纳米的量级,这个趋势还在继续着,预计再经过20 年左右,将要降到几个原子的大小,甚至更小。于是出现了一个新的问题,在原子的尺度上传统的物理定律不再适用,遵循的是全新的量子力学规律,在原子的尺度 上我们不再可能制造出传统的计算机。

在需求的驱动下,量子计算机的研究任务也就自然而然地提出来了。为完成此项任务,人们既要解决大量的基础理论问题,同时也要解决大量的技术与应用问题,这给科技界提供了重大的机遇和挑战。

量子计算机的基本理论 问题有所突破

量子计算机区别于传统计算机的特征

量子计算机的思想开始于 20 世纪70 ~80 年代,70 年代初美国C.B ennet 等提出可逆计算, 80 年代初Argonne 国家实验室 P.Benioff 等提出关于计算的量子力学模型的研究, 1982 年物理学家R.Feymann 提出了量子计算机的设想, 1985 年英国牛津大学D.Deutsh 提出了量子图灵机的概念。通过这些科学家的努力,量子计算机的概念基本形成。

传统计算机中的基本计算单元是“比特”,而量子计算机中的基本计算单元是“量子比特”。由于的独特性质,“量子比特”具有与“比特”完全不同的特性,即它 不仅可以取“ 0 ”或者“1 ”,还可以同时取“0 ”和“1 ”(即量子叠加态)。我们知道,通常一个“比特”只能表示两种可能状态中的一种,而一个“量子比特”则可以同时表示两个状态。推而广之,N 个“比特”只能表示2N 个状态中的一个,而N 个“量子比特”却能同时表示2N 个状态。可见,“量子比特”的信息量比“传统比特”增加了指数倍。如果我们能够用一种办法对“量子比特”(量子叠加态)进行操作,那就意味着一次能同时操 作2N 个状态,,实现所谓“量子并行”,那么同样的操作在传统的计算机中却要进行2N 次。计算速度因此提高了指数倍。这比传统计算机的计算速度有了质的飞跃,从而有可能解决传统计算机所不能解决的难题。

量子计算机目前的研发进展

以上分析只是从原理上说明量子计算机所存在的某种潜力和可能性,进一步的问题是,需要找到一些量子计算机可以计算的具体问题,找到可以对“量子比特”进行 运算的具体算法——量子算法,并得到满意的结果,这样才有说服力。 1994 年AT&T B ell 实验室 P.W.Shor 设计出大数分解的多项式时间的量子算法; 1995 年Groner 发现了量子计算机上数据库的搜索算法,计算时间从经典算法的 N 降为N 的平方根。这两个算法的提出意义重大,人们把它们称为“杀手应用或应用杀手”,因为它们从理论上说明了量子计算机的确可以解决传统计算机难以解决的实际问 题,从理论上扫清了人们对量子计算机计算能力的疑虑,从而极大地提高了人们研制量子计算机的信心。特别是Shor 算法,大家知道,“大数分解”(将一个复合实数分解为两个素数的乘积)一直是传统计算机的难解问题,因为至今还找不出一种有效(多项式时间)的传统计算机 算法进行大数分解。目前因特网上普遍采用的 RSA 密码体系就是建立在“大数分解难”的基础之上,由于使用现代计算机进行大数分解十分困难,因此破解RSA 密码也就十分困难。如果大数分解在量子计算机上变得“不难”了,那么我们目前网上主要使用的RSA 密码体系就很容易被破解,网络安全也就无法保证,可见量子计算机的研究对密码学有着重大的影响。

上述理论问题解决之后,量子计算机的研究从 20 世纪90 年代中期开始变得十分活跃。例如,美国国家科学基金会和欧洲科学基金会设立专项研究计划,研究量子计算及其应用,在我国,中国科技大学量子通信与量子计算机实验室也已经取得了一系列的研究成果。

量子计算机可望不可及?

目前量子计算机发展中的问题

有了上述的理论基础,接下来就可以着手研制实际的量子计算机。目前在量子计算机研究上比较著名的单位有:美国 Los A lamos 国家实验室、 IBM 、加利福尼亚理工学院、英国牛津大学等。要制造一台量子计算机,首先需要将量子信息(量子比特)存储在电子、原子等微小粒子上,并能对它进行操纵和观察, 这些任务都是非常艰巨与困难的。

首先要找到一种物理载体来存储“量子比特”,这是第一道难关。目前采用的技术手段有,利用原子的自旋轴或者它的能级来存储量子比特。比如, B oulder 国家标准局在零下 273 ℃(接近绝对温度零度)的环境下通过电磁场来捕获单个离子;加州理工学院用偏振光使光子相互干涉;Los Alamos 国家实验室也是捕获离子。第二个难题是如何来操纵和观测单个粒子的状态。比如, IBM 公司利用核磁共振技术对离子状态进行间接的观测。到目前为止,经过科学家与技术人员的不懈努力,通过上述技术手段还只能造出规模很小的“量子计算机”。据 报道,2000 年8 月IBM Aalmaden 研究中心做出了 5 个“量子比特”的机器,2000 年3 月Los Alamos 国家实验室制造出 7 个量子比特的机器。显然,这样的“机器”离实际应用还有相当大的距离。

量子计算机实现实际应用的难点

首先,量子的状态(叠加态)十分不稳定,极易受到外界的影响,不管是外部噪声还是观测都会形成对量子状态的干涉,使存储在量子计算机内的信息崩溃,导致计 算机错误。比如,当观测一个量子状态时,该状态就会立即塌陷为某个确定值( 0 或者1 )。这种现象在量子物理上叫做脱散,是量子的固有性质。由此可见,量子计算非常脆弱、非常容易出错,并且随着机器规模的增大,计算的可靠性急剧下降,使制 造规模大的量子计算机变得十分困难。为了解决上述困难,目前国际上在纠错、脱散和硬件体系结构等重要方面已经展开研究,并已取得一些成果。

另外一个重要的问题是,到目前为止,人们才找到两个比较成功的量子算法: S hor 算法和 Grover 算法,我们还需要更多能解决实际重大问题的量子算法,以证明在哪些问题上量子计算机的确比传统计算机要优越。

未来 5 年内量子计算机能否实现应用

悲观者认为,量子计算的威力来源于量子相干和量子纠缠的特性,也正是同样的特性带来了量子计算的脆弱性和易于出错。因此像量子纠错、脱散等问题都属于量子 计算本身带来的本质困难,因此很难克服。乐观者则认为,上述困难可以在较短时间内予以克服,比如观察测量引起的“脱散”, 1998 年Los A lamos 国家实验室与 IBM 公司就找出一种间接测量“量子比特”状态的办法,避免破坏量子的叠加态。2002 年Wisconsin 大学的研究者认为,利用已有的硅片制造技术,有可能在短期内制造出具有百万量子点( 1024 ×1024 )的计算机。

让我们再回到刚才的问题,什么时候可以制造出实用的量子计算机?由于人们对困难的估计不同,有的说几年,有的说几十年,也有的说需要几个世纪,仁者见仁, 智者见智,但有一点却是相同的:那就是,量子计算机的研制不管成功与否,量子计算的研究一定会给人类未来的生活带来深远意义的影响,因此不管乐观者还是悲 观者都把它作为 21 世纪重要的研究课题,并寄予厚望。( 中国科学院院士 清华大学教授 张 钹)

 
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