梦幻星空宇宙：[组图]什么是量子计算机

量子计算机解密之一——发展背景

明天在哪里，明天在……，小朋友们唱着快乐的童谣在期盼、想象自己的明天。同样的计算机发展到今天，虽然已有了翻天覆地的变化，运算速度和存储容量都在以倍数上升，而体积却越来越小。

　　但是相对人们对它的要求，其发展速度还是太慢了，而且很快就要发展到其极限。人们在思考，传统计算机还能走多远？它停步的那天是否也是计算机世界的尽头？有没有下一代计算机的存在？它在哪里？

发展背景

　　如果我问大家一个问题，你认为当代最有代表性的特征是什么？肯定会有一大批人说是计算机，是它将人类从烦琐而枯燥的计算中解脱出来，是它构成了遍布全球的internet，拉近了人和人之间的距离，是它……。总之计算机给我们的社会带来了翻天覆地的变化。但是今天看到一台台摆在桌子上，拎在手中的微型计算机，你能想象它的过去和未来吗？

用原子构成的中央处理器

　　30年前，第一批计算机问世，每台都有一间屋子大，运算速度更被人比喻成“老牛拉破车”；发展到今天有了286—奔腾系列的更新换代，运算速度更是以指数上升，但仍难以满足大规模高速度的运算要求。例如用现在的集成电路式的传统计算机去给一个400位的数字分解因式，将需要十亿年的时间；人们都在思考、盼望下一代计算机，它到底在哪里？最近研究的量子计算机掀起了新一轮的计算机革命，它只需一年就可完成上述任务，效率是今天的十亿倍。

　　传统计算机的限制来自构成它的电路，其中最重要的就是中央处理器。象Intel、AMD这些大的芯片制造商每年都要花费几十亿美金去研究如何能减小他们所生产的CPU的尺寸。一旦想要将芯片的体积减小到原子尺度，代价将是几百兆美金，可谓是天文数字。怎么办？许多科学家受量子力学的启示开始研究一种全新的计算机——量子计算机。

　　所谓量子计算机就是基于量子力学的某些原理，利用质子、电子等亚原子构成计算机的各种硬件，去解决问题。根据量子理论，电子在任何时候都可以位于不同的位置、具有不同的状态，也就是研究电子的运动只能采用几率。也正是这种状态的不确定性，使得量子计算机有着近乎“神速”的处理速度，在我们注重效率和成效的年代引来了无数人的注视和遐想。

传统计算机

　　我们每天都在使用计算机，但不知你想过没有，这个普通的盒子是怎么工作的？它又是如何与操作者交流的？原来计算机拥有一套自己的语言，其基本单位就是字节，以二进制开、关或位的开、关作为计算的基础，将电位的高低表示为1和0来进行运算。当我们向计算机发号施令时，来自键盘或鼠标的信息就会被计算机自动翻译成机器语言即二进制存储方式，一个二进制位每次只能存储一个，非０即１，然后再由计算机对其进行排列和处理，最后再翻译成各种高级语言程序将结果呈现出来。

　　目前，我们用的计算机都是集成式电子计算机，顺应时代对于集成化和速度要求，它的集成度大约以每3年翻两番的速度发展。1990年已经制成了64兆位的动态随机存储器，集成电路的线宽已细到0.3微米。1993年制成了256兆位的动态随机存储器。当存储器达到1024兆位时，集成电路的线宽将细到0.1微米，也就是千万分之一米，它差不多是一根头发丝的千分之一。这样细的电路，被认为是集成电路的发展极 ，电路比这更细时，现有电子元件将失去工作的理论基础，因为电子作为一种微小粒子，具有“波粒二象性”，当电路线宽大于0.1微米时，电子完全可视为粒子，而不必考虑其波动性；而当电路线宽小于0.1微米时，电子的波动性必须考虑。这时会出现种种新的物理现象，称为量子效应。利用量子效应工作的电子元件称为量子元件，由量子计算机进一步就可构成量子计算机。　

量子计算机

　　量子理论认为，原子等粒子是无法确定其所处的状态的，除非采用其他物体进行测量或者与之发生作用。非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称之为量子超态。量子计算机运用的正是粒子的这种量子力学状态，例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。在量子效应的作用下，量子比特可同时处于0和1这两种相反的状态，这是一种不确定的超态。对这种超态粒子进行测量时，粒子会由于测量导致的扰动而脱离不确定的超态，从而呈现出清晰明确的0或1状态。因此，为了实现量子运算，用作量子比特的粒子必须处于缠结状态，也就是所有的粒子都必须是不明确的超态，并且每个粒子的状态必须互相紧密相关。如果某个粒子的状态在测量之后被加以确定，那么，其他粒子的状态也会确定下来。

　　基于量子物理的计算机可以同时让这些开关或量子位(Qbits)处于开和关的状态。在通常的情况下，一串这样的量子位即可提供一切可能的开／关组合，同时完成计算机所需要的各种计算，使计算机的存储功能和计算能力得以大大提高。不过，如果要保持一定数量的超态，即保持缠结状态则是相当困难的，这是由于量子的缠结状态极容易溃散，而且粒子数量越多，越难实现量子的缠结。科学家们以前仅能维持2～3个量子位系统，使这少得可怜的2～3个粒子处于缠结状态。但仅依靠这几个量子比特难以进行任何稍微复杂一些的运算，因此，如果想研制实用的量子计算机，首先必须使更多的粒子能够实现缠结。

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