怪异的量子计算机

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所有的计算机里，信息（数据，文本，图象等）都能用任何可以处于两种明确状态的东西来表达，比如开关。在传统的计算机里，这些开关是微小的硅晶体管，每个开关代表一个二进制位，或曰 BIT，开关越多，能表示的数就越大，比如10个开关就能表示0-1023中的任何一个数。现在来看看量子计算机。量子理论解释世界在原子层面是怎样运作的。它的众多不可思议的特性之一是，它允许事物同时处于两种相反的状态，比如原子可以象陀螺一样旋转，你可以想到一个原子要么是顺时针旋转要么是逆时针，但量子理论告诉我们说，如果我们用恰当频率的光脉冲抽打原子，它就会进入“superposition”（叠加态）而同时做顺逆时针的自旋。如果我们把一个原子看成一个开关，顺时针转算关，逆时针算开，那么单个原子就可以同时表示0和1，10个这样的量子位（“Qubits”）就可同时存储0-1023中的所有数字。“superposition”不是这种新计算机所倚赖的唯一魔术，还有“entanglement”（纠缠）。当量子粒子的命运无法解脱地联系在一起时，它们被称为是纠缠在一起的。比如如果一个在顺时针转，那另一个则必定逆时针转。在量子计算机里，这种依赖关系则构成开关间的连接。拜“superposition”和“entanglement”所赐，用一只激光枪射击一列10个自旋原子，就可以同时对全部1024个数字进行运算。但是，计算结束以后，怎么读到结果呢？从一大堆混在一起的问题开始，得到一大堆混在一起的答案，而按照量子理论，又没法一个个地看到这些答案，因为当你试图测量一个量子系统，“superposition ”就会坍塌，其中一个答案随机地跳出来，其他的则被毁掉了。为克服这一障碍，量子计算机利用了量子的第三样怪异，即“interference”（干涉）。“superposition”持有的多项答案——有时被相当夸张地认为是存在于“多宇宙”中的，它们注定相互干扰，有些互相加强，有些互相抵消。用适当的激光脉冲进行整理，“superposition”就坍塌到一个能展示所有并行计算的结果的最终结果。理论上，这就是量子计算机就是这么工作的。实践上则是两个问题——硬件和软件。首先说硬件，量子计算机自然是紧凑的，一个13个原子的分子，用显微镜也看不见，却比Los Alamos国家实验室里占地四分之一英亩的蓝山超型机还要快。不过到目前为止，量子计算机的尺寸记录只是7 个原子，且只能整体存在不到半秒——将将够执行几百个运算步骤。量子计算机未必非要用原子来造，任何可以被折腾到两态的“superposition”的粒子都可以用作量子位，但目前尝试过的所有技术都还相当脆弱。所以按照量子计算机科学家们自己的说法，他们是在给一个不存在的设备写软件。然而软件本身也是棘手的。如果说量子计算机在计算量能力上超越传统计算机，那么它在适应性方面则落后。你没法随便就写出一个天气模型的量子程序，因为量子计算机不允许你检查中间结果，否则就回破坏整个运算。所以即使写个简单的因数分解的量子程序，都是需要点天才的。1994年，贝尔实验室的数学家Peter Shor真的做到了这一点，这就相当令人振奋了。Shor的工作甚至有其潜在的危险性：它可被用来破解目前用于电子通讯加密的密码。目前这些密码依赖的是目前实践上的对大数做因数分解的不可能性——要对一个四百位的数字进行因数分解，最快的传统计算机也要花上亿年的时间。而一个运行Shor程序的量子计算机，这项工作只要片刻工夫。对加密能力的破坏可能是量子计算机的致命应用，但魔高一尺道高一丈，一种新的基于量子计算的量子加密算法又可以恢复通讯的安全。量子计算机究竟有什么好处呢？其实，也许除了量子计算机——不同于传统的决定性计算机——能够制造真正的随机数以外，并没有什么事情是量子计算机能做而传统计算机做不到的——对后者只要假以时日。量子计算机的优势就在于源自其并行性的速度。