【原创】神奇的量子计算机（中国科学院半导体研究所）

当你在图书馆打开轻巧的笔记本电脑，启动它的每秒能够做20亿次运算的P4CPU的时候，可曾想到就在不到60年前，人类历史上第一台电子计算机ENIAC，每秒只能完成5000次运算，而且它还重达30吨，占地1千平方英尺，使用了1万8千个真空电子管﹑总长达800公里的电线！
不过这还不是足够让你吃惊的事情，因为我们已经习惯了每隔1年半，计算机的性能就翻一倍的令人眩晕的时代。不过，如果告诉你：其实你现在手上使用的超酷笔记本电脑的结构，跟那台超庞大的ENIAC一样！那是不是有点让人意外呢？
 
经典计算机为何经典
是的，60年过去了，计算机的结构本身并没有发生什么变化，无论是ENIAC还是你的P4电脑，都只是按部就班地处理一串由0和1组成的符号串，其中0和1分别用某种物理量的两种不同状态来表示，例如在硬盘上面，就是用“小磁针”的上下方向来表示01，而光盘上面，则是用有坑和没坑来表示。通过对它们做简单的运算，然后再输出一串由0和1组成的符号串，当然现代计算机只是能够把输出的0和1，转换为生动眩目的显示器图像。
所以计算机60年来的进步，就只是把10厘米长的真空电子管，用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。
那么未来的60年呢？我们还有机会得到如此迅猛的发展吗？如果只是继续推进这个缩小的进程，未来似乎是令人悲观的，因为我们在硅晶片上面的加工尺度已经达到了0.1微米的量级，再往细微的方向走，经典物理会逐渐失效，因为主宰微观世界的是量子物理，而所有为表示0和1而应用的物理现象都是属于经典物理，这意味着，我们不得不开始探讨应用量子物理原理来设计计算机的可能性。
设计计算机的一个基本前提，就是首先要找到一个合适的物理系统，使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。最简单的实现方式，当然就是只要能够表达两个状态就够了，例如一个开关，可以让“开”表示0，“关”表示1。对于经典物理系统，稳定的两个状态是很容易实现的，但是对于哪怕是最简单的量子物理系统，它除了能够表达0和1两种状态之外，还能够同时表达0或者1，只是表达0具有一定的概率，而表达1则具有相应的概率，这两个概率和为1。量子物理系统的这种特性是无法回避的，似乎为计算机的设计平添了麻烦。不过科学家们灵机一动，巧妙地利用量子物理系统有别于经典系统的这个独特性质，创造了量子计算机的崭新概念，从而宣告计算机的发展将彻底地告别过去60年一脉相承的结构，而开始量子计算机的新时代。
量子计算机的威力
经典计算机和量子计算机最本质的差异来自对于物理系统的状态的描述，对于经典计算机来说，对一个字节的数据进行一步步的处理，每一个步骤都表示机器的一个明确的状态，上一个步骤的输出作为下一个步骤的输入，前后相续，整个计算任务是在一条线上进行的；而对于量子计算机来说，系统的不同状态之间的变换，可以并列存在多个途径，使得系统可以在多条路径上并行处理多个计算，这就使得计算机的计算能力获得了指数性的增强，从而开辟了计算机的崭新未来。
对于量子物理系统来说，其状态的描述方式是由最基本的量子力学原理所规定的，尽管象爱因斯坦那样伟大的物理学家一直对量子力学的基本原理感觉不满意，但无数的实验证实了这个主宰微观世界的基本原理是不可动摇的。而对于理论上威力无比的量子计算机的实验研究也表明，量子计算不是梦！
最早实际地揭示出量子计算的威力的是AT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特·休尔。他在1994年设计了第一个适合于量子计算机使用的算法，专门用来对大数进行因子分解。大数的因子分解对于经典计算机来说，绝对是一个不可能任务，因此现代计算机的加密算法，包括银行的密码系统，都是基于一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积这个论断的。皮特·休尔发现，如果使用量子计算机，再运用他提出的专用算法，这个论断将不再成立。这意味着现代社会广泛使用的密码系统，将随着量子计算机的问世而作废。
1998年，在美国MIT和拉斯阿莫斯国家实验室的以拉夫雷门为首的一组科学家，运用液态核磁共振（NMR）实现了量子计算，这个里程碑式的实验，成功地解决了量子计算的重大问题，即如何在读出计算结果的同时，不销毁系统其他的状态信息。因为根据量子力学基本原理，任何对系统的测量，都将导致系统状态坍缩到一个状态上，从而丢失系统本来具有的其他状态的信息。为了解决这个难题，拉夫雷门通过间接的测量方法，使得系统状态信息得到安全而完整的保留。
NMR量子计算实验的成功激发了世界范围的研究量子计算机的热潮，一方面人们希望在量子计算机的硬件实现上取得进步，另一方面则致力于设计更多的适宜于量子计算机的专用算法，以便有效发挥其威力。
目前量子计算以及相关的量子通讯和量子信息领域，正在飞速的发展，因此这个领域也正在吸引越来越多的参与者，随着主要的障碍已经或正在被克服，似乎可以乐观地估计，在不久的将来，量子计算机会突然出现在杂志插页广告当中，然后，又突然发觉现在我们使用的计算机都已经扔在阁楼的杂物堆里面好长时间了，因为，那个时候，豁然已是量子计算机的时代了
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