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2000年,IBM公司声称研制成功了5个昆比特(量子比特)的量子计算机,在国际上引起轰动,但专家称这台演示用量子计算机离实际的应用还很远。
2007年年初,加拿大第四波系统(D-Wave Systems)公司宣布,已经制造出了世界上首台商业量子计算机,并强调这台机器并不是真正意义上的量子计算机,而只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途的机器,比如为匹配分子结构进行数据库搜索。现在它只能以量子计算的基本单位16量子比特来进行运算,其核心便是一块超低温、超导铌芯片,与现有的标准计算机的运算能力相当。公司正在寻求合作伙伴,并计划于2008年开始出售这款计算机的商业版本,届时计算机的运算能力将达到1000量子比特。但有量子计算机的研究人员对此表示怀疑,因为第四波系统公司并没有将他们的发现提交同行审议,这是产品在科学界获得认同的一个必要途径,而且在发布会现场人们也没有看到实物,只是通过网络播放了一段视频。
众所周知,20世纪后半叶计算机技术大行其道,人类进入信息时代。随着计算机芯片的集成度越来越高,元件越做越小,集成电路技术现在正逼近其极限,当科学家们意识到传统计算机的局限性时,研究量子计算机的想法就开始出现。从1970年代以来的几十年中,量子计算机依然处于研发阶段,量子计算机离我们似乎还是很远。
真正问世尚需时日
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。
量子计算机与传统计算机的一个显著区别在于,传统计算机中的基本计算单元是“比特(bits)”,而量子计算机中的基本计算单元是“昆比特(qubits)”。
一个比特只能代表0或1,一个昆比特则说明一个单粒子既能存在于0或1的状态,也可以同时存在于0和1的状态,这让量子计算机可以处理比现有计算机复杂出无数倍的运算。
与传统计算机相比,量子计算机最重要的优越性体现在量子并行计算上。因为量子并行处理,一些利用经典计算机只存在指数算法的问题,利用量子计算机却存在量子多项式算法。例如,对一个上百位的数进行因式分解,以现有计算机的最高水平也需要数年时间。用一台量子计算机,10秒钟就行了。
人们是不是很快就能拥有量子计算机了呢?它会以类似于传统的笔记本电脑那样小的计算机出现吗?现在对于这些问题的答案都是否定的。
现在的量子计算机样机犹如冰箱一样大,而且比冰箱还要冷。它使用的是冷却到几乎是绝对零度的超导电路。在这样的温度下,电阻降减到几乎接近于零(想想常规笔记本散发出来的热量吧),所以能进行大规模的运算。
很多科学家相信,真正基于量子物理学的量子计算机应在解决某些因式分解、模拟和其他精深问题时要比现有的传统计算机更快。举几个量子计算机在应用方面的例子。真正的量子计算机应该能设计基因类药物(要知道在每个人类细胞中的那条著名的螺旋梯线上的DNA有30亿个“碱基对”),或者各个公司也可用它来管理供应链。量子计算机在安全领域中应当有着很重要的作用。从911事件以来,美国政府和公司在身份识别方面下了很大的力气,对他们想要追踪的人建立了照片、指纹和其他复杂测量方法的庞大数据库。如果在恐怖分子名单上的某一个人从机场的安检出口通过,量子计算机能迅速的将其照片和保存在安全机构的数据库中的照片进行比较。
那么,这些设想真的很快就能实现了吗?其实量子计算机领域中的大部分方面都在受到人们的质疑。很多大公司(例如IBM和NEC)在这方面做了很多年的研究,但至今依然毫无结果。大部分科学家认为量子计算机的真正问世尚需时日。虽然现在的情况并不令人乐观,但在未来某一天,如果你能用这种强大的技术在网上进行搜索时也不要觉得惊奇。
不可避免的量子计算机时代
我们的技术在不断发展,一些因素正推动着量子计算机替代传统计算机前进的步伐,包括:尺寸大小、能耗、制造前沿计算机的经济性以及一些无法为传统计算机超越的新应用。
尺寸:以现在芯片的小型化程度以及节能和经济性的发展程度,到2020年时,传统计算机(如果可能的话)的CPU将达到40 GHz,内存为160 Gb,运行时的功率为40W。根据摩尔定律,芯片的容量每18个月就会升级一次,但芯片尺寸却照旧。芯片上的晶体管数量呈指数式上升。如果依旧以现在的速度变小,到2020年时1比特将会被单个原子替代。照这个趋势下去,我们将不可避免地进入量子效应的微观世界,在那儿传统方法将不再适用。
能耗:现在的芯片运算速度越来越快,晶体管密度更大、相互之间靠得更近都导致了散热出问题。所以在使用时就要求充分发挥能效优势以防止芯片熔化。虽然传统计算机的散热问题得到了一定的解决,但要知道量子计算机是可逆的,所以理论上不存在能量消耗问题。
经济:除了微观的能量因素外,还有宏观经济因素要求人们找到一个更节能的方法。全美国5%的能源是由计算机行业消耗的。而现实是石油储量在不断减少,大众又不太赞成使用核能,耗能的计算机对我们能源供应的影响将会变得非常大。现在建造一家半导体工厂的费用每3年翻一番,照此下去,到2020年要建造一个半导体工厂将会耗资1万亿美元,占到美国GNP的5%。以摩托罗拉的销售数字来说,一个与其类似的公司每年需要达到10万亿销售收入才能支撑起这样的建设费用。这会对传统计算机发展产生严重的影响,因而各国都加快了研发量子计算机的步伐。
量子计算机不仅运算速度快、存储量大、功耗低,而且高度微型化和集成化,到时科学家们可以凭借强大的量子计算机解决复杂的科学问题。量子计算机终有一天也会取代传统计算机走入普通人的生活。未来的量子计算机可能以无形性广泛存在于您的周围,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。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,而量子计算机会彻底改变这种情况。
到那时,传统计算机行业和与之相关的产业必然会受到巨大的冲击或毁灭性的打击。半导体芯片可能会完全丧失市场;软件行业也会受到牵连,现存软件都不能适应量子计算机的要求,必然要被一些新型的软件公司替代。大多数专家相信,在多年年以后,量子计算机领域的发展将非常迅速,就像现在电脑一样,给我们的生活带来巨大冲击。