等待量子计算机

现在或许还无法准确预测“量子计算时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原则性的困难可以阻挡这种革命性产品的问世了

　　【网络版专稿/《财经》杂志记者 于达维】在世界各大银行的技术部门里，总有一群人在日以继夜地研制新一代的密码。他们共同的“终极”目标，就是能有一套不被破解的密码。
　　当然，也许现在所有的密码对于未来的量子计算机来说，都显得不堪一击。因为即使与目前最先进的巨型计算机相比，它的功能也显得异乎寻常的强大，几乎相当于后者的10亿倍。
　　正是由于其梦幻般的性能，从上世纪60年代起，全球的物理学家和数学家就开始以巨大的热情，在理论上以及通过实验探讨量子计算机的可行性。
　　不过，到底什么时候实现突破，大家心里似乎也没有底。国际量子计算研究先驱、奥地利因斯布鲁克大学皮特·祖勒（Peter Zoller）教授就曾经有些无奈地表示，“量子计算机的出现，可能要10年，也可能要1000年；谁也不知道。除非有什么石破天惊的突破”。
　　2007年11月8日出版的英国《自然》杂志，破天荒的同时刊登了两个类似的发现——来自法国和瑞士的两个研究小组都找到了利用不同量子状态的光子操纵铷原子团的方法。或许，这将在人类实现量子计算机的梦想之路上，迈出决定性的一步。

并行致胜
　　对于我们目前正使用的计算机而言，其计算原则是非常简单的，那就是通过控制电位的高低，来决定一个数据到底是0还是1。
　　而量子计算机与之最大的区别在于，它的每个数据位用微观的量子态表示。量子态同我们肉眼所见的经典状态有很大不同，根据量子力学的原理，量子态可以处于不同本征量子态的叠加。因此，如果说经典计算机存储数据的最小单位是比特的话，那么量子计算机存储数据的最小单位就是量子比特。量子比特可以处于0和1两种状态的叠加。
　　“所以量子计算没有一个确定的输入，也没有一个确切的结果。但是，根据这些概率性的输出，人们可以找到自己想要的答案。”中国科技大学量子信息重点实验室副主任周正威对《财经》表示。不过，由于这种叠加状态的存在，量子计算机就可以同时进行很多条路径的计算，然后给出一个大致的结果。
　　比如用4个量子比特，可以同时描述16种状态，输入的数据就是16种可能的叠加状态，输出的结果也是16种结果的叠加状态。量子计算的特性，就是可以在很短的时间内得到大致的结果；只要再重复几次，就能得到大致精确的结果。
　　短到什么程度？从理论上说，1个400位长的数分解成素数乘积，如果采用巨型机需10亿年，而用量子计算机只要一年便可得出结果。
　　目前世界上最流行的RSA加密体系，依赖的就是选择两个100位以上的素数，得到它们的乘积。要破解这个密码，就要根据这个乘积找到原始的两个乘数。用经典计算机进行因数分解时，这个数每增加一位，寻找它的因数的时间就要增加大约一倍；而用量子计算机的话，每增加一位计算机所需的时间增量则是一个常量。
　　目前的传统计算机能够实现的大数因子分解只能达到140位，对200位以上的大数尚无能为力。但对于量子计算机来说，简直不费吹灰之力。有了它，现在全球大多数的民用保密系统都可以轻易攻破。

低温光陷阱
　　量子计算机成为现实需要克服的最大障碍，或许就是如何让宏观世界的我们去操作微观世界的粒子。因为从理论上说，只有尺度到了10的负10次方米以下，粒子才能明显出现量子特性；当然，最理想的是能够操作单个原子。
　　目前可以作为量子研究对象的，包括原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。 描述量子状态的方式，可以是粒子自旋的方向，或者能级的高低。现在从理论上研究量子计算机的物理实现的体系有几十种，作为实验研究方向的有十余种。
　　由法国和瑞士科学家所实现的量子操作，是用不同能量的光子，照射束缚在有相对的反射镜构成的光陷阱中的低温铷原子团；原子团的能级被改变，就是“写”操作，因为这些原子由于玻色－爱因斯坦凝聚而呈相同的状态。
　　瑞士苏黎世量子电动力学研究所的蒂尔曼·艾斯林格（Tilman Esslinger）解释说，在低温玻色－爱因斯坦凝聚下，铷原子团不存在热漂移，所以它存储的数据能够维持更长的时间。他们所设计的光陷阱只有0.04微米宽，是利用激光蒸发金属附着在光纤表面构成。
　　当然，目前被应用更广泛的方法还是利用电场或磁场操作电子自旋状态，来实现量子操作。
　　今年11月1日，荷兰代夫特技术大学科学家在美国科学促进会《科学快报》网站上，发布研究结果称，他们利用电场成功地控制了单个电子的自旋，这种方法相比用磁场控制电子自旋更加简便。
　　目前，量子计算机还有几大障碍难以跨越：一是如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；二是如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现可集成性。
　　因为处于量子状态的粒子，往往由于与周围环境的相互作用而失去量子特性，这一过程称为“退相干”。中国科学技术大学量子信息重点实验室主任郭光灿院士对《财经》记者表示，基于量子光学的量子计算，包括操作束缚在腔、离子阱中的原子和离子或者原子、离子的能级等，可以解决相干性的问题，却难以实现集成。
　　而包括超导量子干涉或半导体材料量子点的操作，自旋、能级、磁通量、相位都可以作为可操作的目标的固态量子计算，虽然容易扩充形成纠缠，但相干性又不好。

何时实现？
　　量子编码是迄今发现的克服退相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案，包括量子纠错码、量子避错码和量子防错码等。所谓纠错码技术，就是在粒子退相干发生在一定限度内的时候，改正退相干造成的错误，让量子计算继续下去。
　　为了让尽量多的粒子实现共同计算，就要让这些粒子保持纠缠状态，而这是相当困难的。因为量子的纠缠状态极易溃散，且粒子数量越多越难实现量子的纠缠。
　　早在2000年，IBM和斯坦福大学就联合实现个5个量子比特的量子计算机雏形，并利用它成功找出一个函数的周期。2001年年底，他们又实现了7个量子比特的量子计算机，并成功把15分解成了3和5两个素数的乘积。
　　2007年2月，加拿大D波（D-Wave）系统公司声称制造出了首个商业量子计算机——具有16个量子字节的猎户计算机（Orion Computer），它由铝和铌超导材料制成，可以对数据库进行简单的搜索，该公司计划2008年开始出售这款计算机。
　　D波公司声称，他们成功地通过绝热量子计算技术将退相干（Decoherence）效应降到了最低程度，从而使得量子计算机能够缓慢而连续地工作。
　　不过，在中国科技大学量子信息重点实验室副主任周正威看来，在该公司的成果被正式的同行评议接受之前，还不能确定他们是否真的实现。“当然，如果是真的，那真得很了不起”，周正威说。
　　但“绝热量子计算”与标准的量子计算机模型还有差别，虽然在大规模下两者的能力是相同的，但是，绝热量子计算的硬件规模要数倍于标准量子计算模型。于是，可扩展性依然是个问题。
　　今年10月26日，中科院量子信息重点实验室郭光灿院士领导的研究小组在美国《物理评论快报》上发表文章，证明“量子开关”可以被局域识别，为研究量子计算和量子通信的可重复性给出了理论证明。
　　当时有媒体曾经报道了郭的预测，称15年内量子计算机将会实用化。但郭光灿在接受《财经》采访时表示，现在预测是没什么价值的，谁也不能保证。肯定不至于要1000年，因为“现在已经没什么原则性困难了”。
　　按照目前对于传统计算机的预测，摩尔定律在10年后就要失效。要进一步提高计算能力，除增加更多的核进行多核计算之外，量子计算机仍然是最值得期待的“革命者”。■