“量子魔法”震撼世界

    年輕的華裔科學家艾薩克張不過30多歲，身材修長、面容清瘦，一副力難縛雞的儒生氣度。然而，當他用纖細的手指輕輕捏起那5隻神奇的玻璃管時，一種驚世駭俗、玄妙莫測的“量子魔法”卻能夠迸發出震撼世界的巨大力量。

    8月15日，由艾薩克張領銜的美國國際商用機器公司（IBM）科研小組在斯坦福大學向參加“熱點晶片2000電腦技術會議”的各國專家展示了迄今最尖端的“5比特量子電腦”，並初步驗證了量子計算技術所具有的超凡魔力。

    據艾薩克張介紹，量子電腦是利用原子所具有的量子特性進行資訊處理的一種全新概念的電腦。它以處於量子狀態的原子作為中央處理器和記憶體，其運算能力比目前以微型電晶體電路為基礎的傳統電腦快幾億倍！儘管量子電腦的研製工作現在還處於十分原始的階段，艾薩克張小組製成的實驗模型也僅是裝著5個氟原子的一組玻璃試管，但人們堅信量子電腦終將取代傳統模式的電腦，從而開創資訊時代的新紀元。

    “摩爾法則”的終結者

    電腦界有一條名為“摩爾法則”的金科玉律：隨著微電子製造水準的不斷提高，電腦中央處理器（CPU）硅晶片的精密程度每18個月就要翻一番。按照這一規律，電腦問世50多年來，運算速度已提高了約10億倍，而CPU積體電路的線寬目前也已細微到只有0．2微米。最遲到2020年，電路線寬將不可避免地達到僅有單個分子大小的物理學極限。這就意味著傳統電腦的發展將走入窮途末路。

    然而人類對於資訊處理更快、更強的追求卻是永無止境的，向更微觀的原子世界進軍，開發量子計算技術將是唯一的出路。早在七十年代中期，美國加利福尼亞科學研究所的著名量子學家費曼博士就敏銳地發現原子是超凡的“計算天才”，從而大膽地提出了量子計算的構想。根據量子論原理，原子具有在同一時刻處於兩個不同位置，又同時向上下兩個相反方向旋轉的特性，稱為“量子超態”。而一旦有鐳射或磁力等外力干擾，模糊運動的原子又可以馬上歸於準確的定位。這種似是而非的混沌狀態與人們熟知的常規世界相矛盾，但如果利用其表達和存儲資訊卻能夠像孫悟空的“分身術”一般，發揮出瞬息之間千變萬化而萬變不離其宗的神奇功效。

    在其後20多年裏，美、德等各國物理學家與電腦專家一道苦心鑽研，終於在九十年代初研製出了單原子的“1比特”量子計算元件。其基本方法是：將原子冷卻到接近絕對零度，並與輻射、電波等一切能源隔絕，當原子自行進入量子超態後再用核磁共振對其進行定位控制。近幾年，在這個極為尖端的科研領域，IBM的美籍華裔專家艾薩克張一直獨領風騷。這位麻省理工和斯坦福大學的雙料博士與其他科學家合作，先後在前年和去年成功開發了2原子和3原子的量子計算元件。前不久，他又率領一支由斯坦福大學和加拿大卡爾加利大學6位專家組成的IBM攻關小組，在位於矽谷的阿曼登科研中心研製成功了最先進的“5比特量子電腦”。

    在15日舉行的展示會上，艾薩克張雄心勃勃地向新聞界指出了量子電腦的巨大發展潛力：在未來5至10年內將誕生10比特甚至幾十比特的量子電腦，再過二三十年，量子電腦將正式成為傳統電腦的終結者。到那時，要徹底搜索遍整個網際網路來搜尋某個訊息只需片刻時間。

    那麼，原理玄妙的量子電腦何以會擁有如此神乎其神的魔力呢？

    “玄之又玄，眾妙之門”

    老子在《道德經》中用“玄之又玄，眾妙之門”來闡述自然規律的神秘莫測，以這句話來形容量子電腦的神奇再合適不過了。

    我們現在使用的傳統電腦是通過硅晶片上微型電晶體電位的“開”和“關”狀態來表達二進位制的0和1，從而進行資訊數據的處理和儲存。每個電位只能處理一個數據，非0即1，許多個電位依次串連起來，才能共同完成一次複雜的運算。這種線性計算方式遵循普通的物理學原則，具有明顯的局限性。而量子電腦的運算方式則建立在原子運動的層面上，突破分子物理的界限，進入了“跳出三界外，不在五行中”的絕對自由境界。

    量子電腦中的原子被稱作“量子比特”。由於它具有在同一時間處於兩個不同位置的“特殊才能”，一個量子比特可以同時表達0和1。從儲存數據的角度説，量子比特的能力是電晶體電子位的兩倍。而當許多個量子狀態的原子纏結在一起時，它們又因量子位的“重疊性”，可以同時一起展開“並行計算”，從而使其具備超高速的運算能力。與傳統電腦線性運算相比，這種“並行計算”方式好比萬馬並列齊奔與萬隻蝸牛排隊過獨木橋的區別。

    艾薩克張博士認為，在可以預見的未來，量子電腦的神威可能首次應用於大量數據查索和複雜的加密解密領域。據估計，如果人類研製出有40個量子比特的電腦，就可以用它在短短的10多分鐘之內，從一個包含全世界所有電話號碼的數據庫中準確地搜尋出一個指定號碼。而同樣的工作，要是交給10台名噪一時的IBM“深藍”超級電腦，至少也需要幾個月的時間。

    量子電腦若用於解密碼，其威力更是不可思議。目前在電腦領域，有一種以巨大數字的質因數分解極為困難作為前提的“RSA公開加密系統”正在被廣泛使用。對一個長達400位的密碼數字進行質因數分解，即便使用世界上運算速度最快的巨型電腦也要10億年！相對於人類僅有300萬年的進化史，這樣的密碼是永遠無法破解。而如此繁重的工作，如果用量子電腦來做，卻只要不到一年時間就可完成。

    量子電腦雖然威力無比，妙不可言，但要真正為人類造福還需耐心期待。由於量子電腦的原理與構造與傳統電腦截然不同，科學家的研製工作幾乎是從零開始，十分艱難。而量子電腦運作時所需的絕對低溫、原子測控等苛刻條件更使這種“魔法”般玄妙的神物目前不可能像PC機一樣走入尋常百姓家。但人們也不必失望，幾十年以後，當量子電腦走出實驗室，真正可以實際應用時，普通人完全可以通過網際網路訪問遠端的量子主機，指揮它幹這幹那，共用這項神奇的發明。

    《人民日報 . 華南新聞》 2000年08月24日