其二，集成度的提高所帶來(lái)耗能與散熱的問(wèn)題反過(guò)來(lái)制約著芯片集成度的規(guī)模，傳統(tǒng)硅芯片集成度的停滯不前將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)發(fā)展的“性能極限”。研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計(jì)算過(guò)程中的不可逆過(guò)程。如處理器對(duì)輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作而最終結(jié)果卻只有一列數(shù)據(jù)的輸出，這過(guò)程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生熱量。倘若輸出時(shí)處理器能保留一串無(wú)用序列，即把不可逆轉(zhuǎn)換為可逆過(guò)程，則能從根本上解決芯片耗能問(wèn)題。利用量子力學(xué)里的相關(guān)理論，能把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過(guò)程，由此引發(fā)了對(duì)量子計(jì)算的研究。
高速運(yùn)算的另一個(gè)秘密
量子計(jì)算之所以能快速高效地并行運(yùn)算，除了因?yàn)榱孔討B(tài)疊加性之外，還因?yàn)榱孔酉喔尚浴Ａ孔酉喔尚允侵噶孔又g的特殊聯(lián)系，利用它可從一個(gè)或多個(gè)量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀測(cè)到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性。可以把量子相干性應(yīng)用于存儲(chǔ)當(dāng)中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協(xié)同運(yùn)行的同一整體，對(duì)其中某一比特的處理就會(huì)影響到其它比特的運(yùn)行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。量子計(jì)算之所以能快速高效地運(yùn)算就緣于此。然而令人遺憾的是，量子相干性很難保持，在外部環(huán)境影響下很容易丟失相干性從而導(dǎo)致運(yùn)算錯(cuò)誤。雖然采用量子糾錯(cuò)碼技術(shù)可避免出錯(cuò)，但也只是發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達(dá)高效量子計(jì)算時(shí)代還有一段艱難曲折的路。
神秘的“量子”
什么是“量子”？它和“原子”、“電子”、“中子”這些客觀存在的粒子一樣也是一種物質(zhì)實(shí)體嗎？答案是否定的。“量子”不是一種粒子，而是一種觀念或一種概念。“量子”一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantum，意為“多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某事”。在物理學(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種傾向：物質(zhì)或者說(shuō)粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續(xù)地變化。量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)只能處在一些特定的運(yùn)動(dòng)模式上，在這些模式上，電子的角動(dòng)量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運(yùn)動(dòng)方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時(shí)以其他的方式繞核運(yùn)動(dòng)，很快就必須回到特定運(yùn)動(dòng)模式上來(lái)。實(shí)際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。這樣的觀點(diǎn)和經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)是截然不同的，在經(jīng)典物理學(xué)里所有的物理量都是連續(xù)變化的。上世紀(jì)初，物理學(xué)家普朗克最早猜測(cè)到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。但要堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。保守的普朗克最終放棄了這個(gè)觀點(diǎn)。然而，大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)迫使物理學(xué)界迅速地接受這樣的觀點(diǎn)，將其發(fā)展起來(lái)，并結(jié)合其他一些公設(shè)如“量子態(tài)疊加原理”，建立了如今的量子物理科學(xué)。
沖擊傳統(tǒng)密碼學(xué)
密碼通信源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)與外交之中。隨著歷史的發(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。防與攻是一個(gè)永恒的話題，當(dāng)科學(xué)家們?nèi)缁鹑巛钡匮芯扛鞣N加密之策時(shí)，破譯之道也得以迅速發(fā)展。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大數(shù)的因式分解是數(shù)學(xué)界的一道難題，至今也無(wú)有效的解決方案和算法。這一點(diǎn)在密碼學(xué)有重要應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統(tǒng)的RSA加密系統(tǒng)就是基于因式難分解而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。然而，在理論上，包括 RSA 在內(nèi)的任何加密算法都不是天衣無(wú)縫的，利用窮舉法可一一破解，只需衡量破解與所耗費(fèi)的人力物力和時(shí)間相比是否合理。但是，精通高速并行運(yùn)算的量子計(jì)算一旦問(wèn)世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統(tǒng)密碼學(xué)將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，一套更為安全成熟的量子加密體系正應(yīng)運(yùn)而生。
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本文標(biāo)題：量子計(jì)算機(jī)：決勝21世紀(jì)的利器
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