全球首臺商用量子計算機將在下周展示[圖]

　　曾經的科幻即將成為活生生的現實：全球第一臺商用量子計算機將在下周亮相展示，其核心便是一塊超低溫、超導鈮芯片，可處理16個量子位(qubit)。

　　此前的大多數量子計算研究都更關注通信或者加密解密，而加拿大溫哥華的D-Wave Systems Inc.公司這臺“Orion”(獵人，獵戶座)的主要目的則是解決多元組合問題，比如它只需要幾個循環就能解決NP問題中最困難的“NP-complete”，相比傳統電子計算機耗費數千個循環纔只能得到近似值著實是質的飛躍。

　　Orion是使用傳統的平版印刷術和超導金屬鈮造出的，然後冷卻至接近絕對零度(-273.15℃)，以便在計算過程中維持其量子狀態。與現場可編程門陣列(FPGA)類似，這種芯片首先會花一點兒時間建立運算體系，然後重新配置內部連接，以匹配每一個問題。這一過程完成後，就能在“瞬間”得出答案。與FPGA類似，Orion也可以軟件編程，以適應具體問題。

　　D-Wave將於4天後的本月13日在加州山景城的計算歷史博物館展示這臺量子計算機，之後通過一個安全的互聯網連接提供對外訪問和使用，最終開始銷售這種系統。

　　當量子計算機理論在七、八十年代被第一次提出時(其理論學家有加裡福尼亞技術研究院的Richard Feynmann，Argonne,國家實驗室的Paul Benioff，牛津大學的David Deutsch，以及IBM華盛頓研究中心的Charles Bennett)，許多科學家對能否真正制造出這樣的機器持懷疑態度。

　　但到了1994年，AT&T研究院的Peter Shor提出了一種能比傳統計算機運算速度快上指數冪倍數的量子算法，這個算法強大到足以解開著名的公開秘鑰加密算法中的私用秘鑰。

　　Shor的算法為量子計算機的發展開闢了道路。從此，世界眾多研究小組加入該研究行列，在量子計算機研究領域取得的重大進步絡繹不絕。

　　目前的計算機是通過控制位、二進制數字來實現的，也就是說，每一位代表了0或1。從數字和字母到我們所用的鼠標或調制解調器的狀態等等和計算機有關的所有東西都可以用一系列0和1的組合來代表。這些位和經典物理學表示世界的方法對應的很好，在現實世界中，如電子開關的開和關，某物在某地或者不在某地等等，這樣的兩種狀態可以分別用計算機中的0和1來表征。但是，量子計算機並沒有被經典物理世界所限制，量子計算機依賴於對量子位或者說昆比特(qubit)的觀察，量子位可能代表了一個0或者一個1，也可能代表了二者的結合或者可能代表了在0和1之間的一種狀態。

　　IBM的研究者已經通過使用核磁共振(NMR)技術測量和控制單原子自旋建立了量子計算機。通過改變原子能級使該原子在可控制的方式下和其它原子互相影響，然後無線電波的脈衝可以使計算機開始計算處理。

　　為什麼研究者們如此努力的希望研制出一臺實際的量子計算機呢？這裡有幾個原因。首先，原子改變能量狀態極快——比現在最快的計算機處理器(CPU)都要快得多。其次，考慮到問題的類型，每個qubit能代替一個完備的處理器——這意味著1000個鋇離子能代替一個有1000個處理器的計算機。現在的關鍵問題是要找到量子計算機能夠解決的合適問題。

　　如果試圖把量子計算機做成適合日常使用的放在我們桌面上的計算機是不太現實的。因為它們不是很適合做類似文字處理和收發e-mail的工作。另一方面，大規模的加密術是量子計算的很好思路，另外，大規模數據庫的建模和檢索也是量子計算機能勝任的工作。正是為了這些大規模的應用，科學家們纔堅持對量子計算機的研究。

　　盡管科學家和工程師已經示范了一些小規模的量子計算機，但是開發者們在建造可行的商用量子計算機方面仍然不得不面對幾個尖銳的問題。最緊迫的一個問題是當觀察一個單離子的能級和自旋方向時很難使其保持穩定。目前的解決辦法是使用激光把離子冷卻到接近絕對零度。但是，這樣做之前必須先把單原子從原子組中分離出來並把它放到指定地點。到目前為止，這種示范涉及到兩個到五個原子。另外這又引起了觀察原子將使多種可能的狀態變為只有一種確定性的狀態這個問題，觀察將破壞原子所具有的兩種狀態並存和介於兩種狀態之間的這些極有價值的狀態。IBM使用的NMR技術是一種不用直接觀察離子而觀察到離子狀態效果的方法，它因此避免了使使多種可能的狀態變為只有一種確定性的狀態這個問題。

　　Los Alamos國家實驗室的科學家，IBM，加利福尼亞理工學院和牛津大學的科學家正在共同尋求建造量子計算機的方法。對這些公司和大學來說，一旦成功的克服所有的困難，量子計算機一定會給他們帶來巨大的收益。

　　據《紐約時報》報道，美國商用機器公司IBM的科學家本星期宣布，他們利用量子計算機成功地把15這個數字分解為5和3這兩個質數因子，從而展示了將來可以利用量子計算機破譯現在無法破譯的密碼這樣的前景。

　　IBM的科學家取得的這一成就，被認為是計算機科學方面的一個重大突破。若想粗略地理解這一科學突破，我們就不得復習一點基本數學和計算機基礎知識。我們知道，尋找某個數的質數因子，這在從數學上說是非常困難的。假如這個數字不是很大，比如說是15或21，我們可以根據我們的直覺，知道這兩個數字的質數因子分別是3和5，以及3和7。但是，假如某個數很大，超出了我們的直覺范圍，我們就要通過計算，來一個個地驗證這個大數的質數因子到底是哪幾個。隨著數字的增大，驗證質數因子所需要的時間要成百倍、千倍、萬倍地增加。1999年，計算機專家們創下了一個世界記錄，這就是利用292臺電腦整整運算了半年，找到了一個155位的數字的兩個質數因子。

　　用相同的方法，假如想找一個300位的數子的質數因子，就不是5年、8年、或80年就可以做到的了，而是可能要花幾億年。計算機密碼的制作者就利用找質數因子的這種幾乎無法克服的困難來炮制密碼。他們的具體做法非常簡單，無非是先找兩個大質數。所謂的質數，我們知道，就是本身沒有因子的數字，只能被1或其本身整除。

　　計算機密碼制造者找到兩個大質數之後，再把它們相乘，得到一個更大的數字，然後，用得出的這個大數字來給計算機文本加密。假如要想破譯這樣的密碼，就需要找出組成密碼鑰匙的大數字究竟是由哪兩個質數因子構成的。我們已經知道，從目前的計算機技術和方法來看，做到這一點需要上億萬年的時間，因此，這種密碼以目前的技術是不可破譯的。

　　剛纔我們介紹了IBM的科學家利用量子計算機，找到15這個數字的兩個質數因子，這被認為是計算機科學的重大突破。剛纔我們從基礎數學的角度，介紹了這一科學突破的數學背景。現在我們在來看看這一突破的量子計算機的背景。

　　我們知道，我們今天使用的最先進的計算機，也就是電腦，看似神乎其神，好象沒有它不能做的事。其實電腦從本質上說絕對是呆頭呆腦，頭腦簡單得還比不上一個乳臭未乾的嬰兒。所有的電腦都只認識兩個數，也就是0和1。嚴格地講，電腦連0和1這兩個數字也不認識。電腦的關鍵部件是一些微小的開關。電腦雖然不能認識或記憶數字，但電腦能識別或記憶這些開關是開還是關。電腦計算的本質，無非是人們把這些開關的開關狀態跟0和1聯系起來而已。

　　當今的電腦越造越先進，越來越小。盡管如此，電腦的關鍵部件，也就是那些從事計算的開關依然很大，每個都是由幾十億個原子組成的。但是，量子計算機的工作原理，跟如今通行的電腦不一樣。在量子計算中，科學家們是通過操縱單個的原子，而不是由幾十億個原子組成的電路開關來進行計算的。操縱單個的原子進行計算，跟操縱電路開關來計算，這兩者有什麼本質性的區別呢？

　　區別可大了。我們知道，原子的運動規律，是受量子力學制約的。作為現代物理學的一個分支，量子力學有許多原理，是違反我們以經典物理學為基礎的基本直覺的。比如，從經典物理學來看，一個原子或是在某個地方，或是不在那個地方。在或不在，二者必居其一，不能同時腳踩兩只船，又在又不在。這就是非常符合我們的基本直覺的經典物理學。但是，量子力學則不同。在量子力學裡，一個原子恰恰可以同時在一個地方又不在同一個地方。

　　我們知道，專用來描述微觀世界的量子力學在最初提出的時候，就是因為這些違反人們直覺的原理，而受到普遍的懷疑。直至今天，肯定也還是有人懷疑。

　　但是，20世紀的大量科學研究顯示，量子力學確實能很好地描述原子、質子，中子，電子等微觀世界現像，證明了量子力學不是玄學。我們現在再把話題回到量子計算上來。在量子計算中，科學家們操縱單個的原子來進行計算。根據量子力學的基本原理，一個原子可以同時有兩種狀態，也就說，一個原子可以同時表示0和1。兩個原子則可以同時表示四種狀態，在電腦二進制語言中，這也就是表示從0到3的四個數字。

　　依此類推，三個原子可以同時表示8個數字，四個原子可以表示16個數字。而IBM的科學家調遣了7個原子，來尋找15的質數因子。在量子計算中，7個原子可以同時表示128個不同的數字。

　　簡單地說，跟現在通行的電子計算機計算相比，調遣單個的原子進行的量子計算，它的獨特之處就在於能同時進行許多運算，從理論上說可以在幾分鍾之內找出一個幾百位的大數字的質數因子。IBM的科學家利用量子計算，找到了15的質數因子，從而使量子計算由理論轉化成為現實。

　　不過，《紐約時報》報道說，要迅速找到用於加密的大數字的質數因子，需要小心翼翼調遣成千上萬的原子來進行量子計算，計算期間稍微出現一點哪怕是最輕微的原子擾動，都會使計算無法得出結果。在這樣的技術障礙克服之前，密碼制造者依然可以不用擔心他們的密碼被破譯。但是，IBM的科學家已經證明，量子計算是可能的。這也就是說，破譯目前無法破譯的密碼是可能的。