量子計算機工作原理揭秘

當今的計算機廠商提供的強大計算處理能力仍不能滿足我們對運算速度和運算能力的渴求。1947年，美國計算機工程師霍華德·艾肯(Howard Aiken)曾說，只要六台電子數字計算機就可以滿足全美國的計算需要。其他人也做過類似的錯誤估計，說什麼僅需多少計算能力就能滿足我們不斷增長的技術需求。當然，艾肯沒有算上日後科學研究產生的大量數據，以及個人計算機的普及，還有網際網路的崛起：所有這些都使我們對計算能力的需求與日俱增。

我們是否終有一天能夠擁有需要的或是希望的計算能力呢？如果像摩爾定律指出的那樣，微處理器上的晶體管數目保持每18個月翻一番，那麼到2020或2030年微處理器上的線路就會到達原子水平了。順理成章的下一步將是建造量子計算機，充分駕馭原子和分子的能力，將其用於存儲和計算工作。量子計算機在進行某些計算的時候可以比任何硅基計算機快出很多。

科學家已經建造起一些能夠完成某種運算的簡單量子計算機，但要製造實用的量子計算機還要等上很多年。

量子計算機定義

量子計算的起源距離現在並不很遠。儘管計算機早在上世紀四十年代就已出現，但量子計算的理論在20年前才由美國阿貢國家實驗室的一位物理學家首次提出。世人公認保羅·貝尼奧夫(PaulBenioff)在1981年第一次將量子理論用於計算機，提出了製造量子圖靈機的理論。大部分數字計算機，比如您正用來閱讀文章的這臺，都是基於圖靈理論的。

阿蘭•圖靈(Alan Turing)於19世紀30年代提出的圖靈機包含一條無限長的、被分成無數小格的帶子。每個格子要麼保存一個符號（1或0）要麼是空白。一個讀寫裝置可以讀取這些符號和空白，它們構成了圖靈機的程序指令。聽起來是否有些耳熟呢？那麼對於量子圖靈機，區別在於帶子和讀寫頭都以量子態存在的。這意味著帶子上的符號除了可以是0或1，還可以是0和1的疊加。常規的圖靈機每次只能完成一個計算，而量子圖靈機可以同時進行多個計算。

今天我們使用的計算機像圖靈機一樣，通過操作具有兩種狀態的位元（0或1）進行工作。量子計算機不只依靠兩種狀態。它們將信息編碼為量子比特，或稱昆比特（qubit）。量子比特可以是1或0，也可以是某種疊加態：即同時是1、0或二者之間的某個值。量子比特由一組原子實現，它們協同工作起到計算機內存和處理器的作用。因為量子計算機可以同時包含這幾種狀態，所以它可能比當今功能最強大的超級計算機還要強大數百萬倍的計算機。

這種量子比特的疊加使量子計算機具有內在並行性。物理學家戴維·多伊奇(David Deutsch)指出，這種並行性使量子計算機能夠同時進行一百萬條計算，而台式PC只能進行一條計算。一臺30個量子比特的量子計算機的計算能力和一臺每秒十萬億次浮點運算(teraflops)的傳統計算機的水平相當。當今典型的台式機運行能力為每秒十億次浮點運算(gigaflops)。

量子計算機還利用了量子力學的另一個機制，即糾纏。量子計算機的設想存在一個問題：若對亞原子水平的粒子進行觀察則會破壞粒子的狀態，即改變了它們代表的值。但是在量子物理中，對兩個原子施加外界作用可導致它們互相糾纏，使第二個原子具有第一個原子的性質。因此當不受干擾時，原子的自旋方向是不定的，而一旦受到擾動，原子就會選擇一個確定的方向或值。同時第二個處於糾纏的原子會選擇相反的方向或值。這個原理使科學家們能夠不進行實際的觀察而得到量子比特的值，從而避免將它們塌縮回1或0的狀態。

量子計算機現狀

量子計算機將來可以像晶體管取代電子管那樣取代硅晶元。但是我們現在的技術還沒有達到製造這種量子計算機的水平。量子計算的大部分研究還處於理論階段。

當今最先進的量子計算機也只能操作7個量子比特，就是說還處於計算「1+1」的階段。然而，量子計算機有朝一日可以輕鬆便捷地完成在傳統機器上極其耗時的計算，這種潛力始終存在。近年來在量子計算領域產生了關鍵的進展。下面我們看看幾臺已開發出的量子計算機：

*2000年8月，IBM-Almaden研究中心的研究人員宣布製成了一臺據稱是當時最先進的量子計算機。這臺量子計算機的5個量子比特由5個相互作用的氟原子核構成，使用無線電頻率脈衝編程，並使用類似於醫院中的核磁共振(NMR)設備（有關詳細信息，請參見核磁共振成像原理）進行探測。這支由艾薩克·莊(Isaac Chuang)博士領導的IBM小組成功地僅用一步解決了一個用傳統機器需要循環才能解決的數學問題。這個稱為尋秩的問題涉及查找一個特定函數的週期，是密碼學中經常遇到的眾多數學問題之一。

*2000年3月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們宣布研製了一臺包含7個量子比特，存在於一滴液體中的量子計算機。該量子計算機使用核磁共振操縱反式丁烯酸分子原子核中的粒子。反式丁烯酸是一種簡單的液體，其分子由六個氫原子和四個碳原子組成。核磁共振可用來產生促使粒子排列起來的電磁脈衝。處於與磁場方向相同或相反的位置的粒子使得該量子計算機可以模仿數字計算機來按比特對信息進行編碼。

*1998年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和麻省理工學院的研究人員設法將一個量子比特的信息擴展到丙胺酸或三氯乙烯溶液中每個分子的三個核子自旋態上。將量子比特進行擴展可以使它比較不容易被破壞，而且研究人員可以利用糾纏機制來研究量子態之間的相互作用，並以此作為一種間接分析量子信息的方法。

一旦實用的量子計算機被製造出來，它們在大整數因子分解方面會大顯身手，這對保密信息的編碼和解碼極為有用。要是現在就有這樣一臺量子計算機，網際網路上就不再有信息安全可言。與通過量子計算機可實現的複雜演算法相比，我們目前使用的加密技術過於簡單了。此外，量子計算機還可用於檢索大型資料庫，所用時間會比傳統計算機少得多。

但是，量子計算仍處於初期發展階段，還要很多年人們才能掌握實用量子計算機所需的技術。量子計算機至少需要幾十個量子比特才能解決現實世界中的問題，進而成為一種可行的計算方式。