量子大躍進
????大腦修復術,、心靈感應、準時的航班,，這就是未來主義者眼中量子計算機給我們帶來的世界 ????作者: Peter Schwartz, Rita Koselka ????2030 年 4 月 10 日清晨,，她在自己位于芝加哥市郊的公寓的精心呵護下早早醒來。一整夜,，床頭柜中的精確傳感器都在監(jiān)測她的呼吸,、心律和大腦活動。盥洗室的水池已經(jīng)分析過了她昨晚留下的一小滴血樣,，了解自由基和癌前期細胞的情況,；今晚，就會有一批合適的預防藥物送到她在亞特蘭大的旅館,。這是一項昂貴的服務,，但作為一名基因臨床醫(yī)學家，沙朗?奧亞（Sharon Oja）認為是值得的,。 ????她走進淋浴間,。里面的瓷磚探測到她的出現(xiàn)，開始播放今天的頭條新聞: 載人登陸火星代表團計劃提前出發(fā),。美國軍用無人駕駛飛機利用智能塵埃又摧毀了恐怖分子訓練基地,。曼哈頓的一名高級銀行家被裁定犯有欺詐罪，并被判處過 10 年低技術生活,。另外,，今天是第一臺量子計算機問世 20 周年紀念日。 ????沙朗笑了。今天也是她 24 歲的生日,。她對量子位（qubits）──最小的量子信息單位──誕生前的世界知之甚少,。 ????她穿戴整齊，選了一頂時髦的卷邊草帽戴在頭上,。量子計算技術使服飾行業(yè)出現(xiàn)了出人意料的復興: 在帽沿周圍的緞帶里,，是沙朗的通信中心和智能助理，它們已經(jīng)瀏覽過她昨晚收到的 50 萬封電子郵件,，并進行了分類,。等她走到汽車前時，這個系統(tǒng)已經(jīng)在她的大腦視覺皮層上播放了最重要的 10 封郵件和她的行程表,。所有的文字都從她的視野上方向下滾動,，直到在底端消失。 ????她的這輛本田牌（Honda）氫燃料汽車知道今天會是一個反常的溫暖天氣──實際上,，因為有了量子計算機的模擬系統(tǒng),，它五年前就已經(jīng)知道今天的天氣了，汽車還會把天氣信息自上而下地滾動顯示給她看,。沙朗開車上了高速公路,，拐進智能道（Smart Lane），疾駛而去,。帽帶里的智能系統(tǒng)為她放映父母發(fā)來的生日錄像和老板發(fā)來的經(jīng)過高級加密的備忘錄,。 ????機場沒有檢票口或警戒線。沙朗只需要通過一扇旋轉(zhuǎn)門,，它會檢查她是否攜帶了危險品,，核對她的身份，確認機位預訂情況,，然后將登機口的號碼交給她,，整個過程只需要一秒鐘。她甚至不用費事去查看飛機是否準時──因為航班的模式就像天氣一樣可以計算,，O'Hare 機場五年來還沒有延誤過一次起飛,。 ????在行李托運處，她看到一名熟悉的男子,，頭上戴著像猶太人的圓頂小帽一樣的智能帽,。沙朗帽子上的緞帶已經(jīng)開始工作了，閃出他的虛擬名片,，旁邊是從谷歌（Google）搜索到的關于他的前 10 條記錄,。“霍頓（Horton）醫(yī)生,，”她喊道,，“真高興再見到你。那次糖尿病會議怎么樣？”霍頓醫(yī)生的眼睛輕輕閃爍了幾下,，只有這個細節(jié)泄露了他也在搜索沙朗的詳細資料,。“你好,，奧亞小姐,，”他說，“祝你今天過得開心,?！鄙忱事冻鰻N爛的笑容，心里默默地感謝那位量子計算機的創(chuàng)造者,。 ????這是科幻小說,，對嗎？當然──人造衛(wèi)星,、登月計劃以及最原始的微處理器也都曾經(jīng)是科幻小說中才有的東西,。然而，對于處于量子計算技術領域前沿的科學家來說,，上面的情景還是比較保守的預測,。“真正的計算技術時代甚至還沒開始,?！被萜展荆℉ewlett-Packard）的科研專家斯坦?威廉斯（Stan Williams）說，“我們現(xiàn)在擁有的只不過是一些小玩具,，比算盤高明不到哪兒去。我們面臨的挑戰(zhàn)是盡可能接近物理學的基本定律,?！?/p> ????傳統(tǒng)的計算技術以及它蝕刻在硅片上的微型電路到目前為止只能告訴我們: 摩爾定律（Moore's law）──同等空間所能容納的計算能力每 18 個月就會翻一番──到 2015 年將會遇到硅這種材料帶來的限制。（罪魁禍首是超高溫,，這是由通過集成更加緊密的電路的電荷造成的,。）如果我們希望使計算機在那之后仍然能繼續(xù)發(fā)展，做到沙朗生活中那些神奇的事情,，我們就必須解決如何處理量子領域中大傷腦筋的規(guī)則,。就像《愛麗絲漫游仙境》（Alice in Wonderland）中的仙境一樣，量子世界里的亞原子微粒也能同時處于兩個地方,。 ????幸運的是,，某些世界領先的研究機構(gòu)和技術團體正在從事這方面的研究?？茖W家們創(chuàng)造出一個個單獨的電子,，調(diào)整它們的自旋轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)掌握了亞原子電路。但是由于已取得的實質(zhì)性突破深藏在艱澀難懂的刊物之中,，就連當今最高明的計算機用戶也會感到頭疼,，所以這些突破的重大意義很容易被人忽視。 ????量子革命的確鑿證據(jù)在 7 月亮相市場,，由摩托羅拉（Motorola）派生的新公司飛思卡爾半導體公司（Freescale Semiconductor）的磁性隨機存儲器（MRAM）芯片開始投入商業(yè)化生產(chǎn),。你第一次注意 MRAM，可能會是在你購買了一架可瞬間存儲照片的數(shù)碼相機的時候,。又過了幾年的功夫,，便出現(xiàn)了可以像電燈一樣開啟的新型便攜式電腦。 ????MRAM 的速度這么快,，是因為一種所謂的巨磁阻效應（gaint magnetoresistive effect,，GMR）。雖然它聽起來好像電影《X 戰(zhàn)警》（X-Men）里的某種東西,，但是如果你把幾張超薄磁膜在一起,，讓它們相同的磁極相對，就會感到阻力,，這里面就有 GMR 的作用,。也就是說，電子會按照兩種不同的方向旋轉(zhuǎn),。電子會像陀螺或彈子球一樣在與磁場相對的某個方向旋轉(zhuǎn),。改變磁場的方向，電子的旋轉(zhuǎn)方向也會隨之改變,。這個基本的量子效應可以當作二進制比特,，旋轉(zhuǎn)的方向可標記為“0”或“1”，用來存儲數(shù)字信息,。 ????在傳統(tǒng)的計算技術中,，這些 0 和 1 是通過接通和切斷電流來實現(xiàn)的。與電荷相比,，旋轉(zhuǎn)受環(huán)境的影響較少,，并且衰減的過程也更加緩慢。而且,，要產(chǎn)生電荷,，需要持續(xù)的電力；計算機斷電時,，電荷也就沒有了,。而使用磁性設備，存儲器在斷電時會保持不變,。磁性設備還會給你帶來一項額外收獲──并且絕對是一項重大的收獲,，如果這個系統(tǒng)中不需要電,，也就不存在限制摩爾定律的高溫問題了。 ????這項存儲器上的突破主要應當歸功于 DARPA,，即國防先進技術研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency）,，也就是五角大樓里給我們帶來了互聯(lián)網(wǎng)的那群人。而且,，尤其應該歸功于 62 歲的物理學家斯圖爾特?沃爾夫（Stuart Wolf）,，他最近離開 DARPA 去了弗吉尼亞大學（University of Virginia）。從 1993 年起,，這個國防機構(gòu)已經(jīng)在沃爾夫創(chuàng)立的量子研究項目上投資 2 億美元以上,。 ????雖然 MRAM 僅僅是針對存儲功能的，但是控制計算設備的旋轉(zhuǎn)的能力──沃爾夫發(fā)明了“自旋電子學”（spintronics）這個詞來描述這項研究──具有重大意義,。接下來的努力方向就是讓電子旋轉(zhuǎn)在實際的計算中發(fā)揮作用,。在戴維 奧沙隆（David Awschalom）的帶領下,，加州大學圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）的一支研究小組通過控制半導體和其他只有幾納米大小的材料中的電子旋轉(zhuǎn),，已經(jīng)在這個研究方向上取得了巨大進展。這可能不僅意味著高溫帶來的困擾將會結(jié)束,，還意味著有可能使計算機技術發(fā)展到分子領域,。有了分子水平的芯片，便攜式電腦的計算能力將遠遠超過目前萬億級的超級計算機,。 ????而且,，就連分子水平的計算機也會很快成為落伍的龐然大物。2004 年,，IBM 的丹?魯加爾（Dan Rugar）利用磁體控制了單電子的旋轉(zhuǎn),，這個實驗被美國物理學協(xié)會（American Institute of Physics）譽為當年最重要的實驗。在理論上,，這意味著我們能制造亞原子水平的電路了,。在這個水平上，粒子的運動更加復雜,，并且能夠──同樣是在理論上──完成更具有挑戰(zhàn)性的工作。 ????在亞原子水平的世界里,，磁旋轉(zhuǎn)可能發(fā)生在上方,、下方和中間的任何位置──并且完全在同一時間發(fā)生。這是量子力學中的一種奇怪現(xiàn)象,，叫做加（superposition）,。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是電子有時候的運動更像是波，而不是粒子,。你可以想象一根弦,，兩端固定,，不停震動。如果你適當?shù)乜刂普饎?，弦的一端會向上運動,，而另一端向下運動。而且它會像波一樣,，同時取上下兩個極限之間的每一個值,。 ????在現(xiàn)代計算機的二進制數(shù)學中，每個比特都是 0 或 1,。但是,，如果一行原子中的每個電子都可以同時在兩個或兩個以上的位置出現(xiàn)，我們就可以利用這些位置進行計算,，指數(shù)的力量就會顯示出來,。假設一個量子比特，即量子位,，能夠同時代表兩個值,，那么聯(lián)在一起的兩個量子位就可以同時表示四個值，三個量子位就能同時表示八個值,，以此類推,。20 個量子位能夠同時表示的值將接近 100 萬個（2 的 20 次方）。 ????利用這種指數(shù)增長的力量,，你可以解決任何以指數(shù)形式擴大的問題,，而有很多非常重要的問題都屬于這種類型。目前,，我們還不能準確地預測天氣或交通狀況,，也不能準確預測病毒的變異情況，因為這些問題涉及的變量數(shù)以及變量之間可能存在的相互作用對于現(xiàn)在的計算機來說是一個天文數(shù)字,。量子位將徹底改變這種情況,。 ????量子位可能帶來的另一項進步，涉及到所謂的糾纏現(xiàn)象（entanglement）──也就是愛因斯坦所描述的著名的“幽靈式超距作用”（spooky action at a distance）,。這是一種粒子間的親和性: 一旦兩個亞原子粒子糾纏在一起,，就會以一致的步調(diào)運動，即使彼此相距甚遠,。利用這種能力,，就可以實現(xiàn)絕對安全的通訊，因為只要篡改了其中的一個粒子,，與其配對的另一個粒子也就失去了的通訊價值,。這一點至關重要，因為量子計算機將能夠破譯目前使用的任何密碼技術,。 ????誠然,，從改變一個電子的旋轉(zhuǎn)到建立一個以此為基礎的電路,，還需要經(jīng)過漫長的努力，而且許多一度被認為很有希望的技術都被一一淘汰了,。英特爾公司（Intel）的首席執(zhí)行官歐德寧（Paul Otellini）始終對量子理論持懷疑態(tài)度,，越來越不愿意為這個領域的研發(fā)項目提供資金。他說,，有關硅原料將會銷聲匿跡的報導純屬夸大其詞,。 ????但是，量子計算科學家們卻非常自信,。作為科學家來說,，這樣的自信程度真是令人驚訝。加州大學洛杉磯分校（UCLA）的電子工程學教授伊萊?亞布魯諾維契（Eli Yablonovitch）說,，“這是我一生中最激動的時刻,，而我已經(jīng)不再是愛激動的年輕人了。我們期待著直接影響全世界的每一個人,?！绷孔佑嬎慵夹g“的實現(xiàn)幾乎就近在眼前，處于最困難的攻堅階段,，每年都會取得顯著的進展,，”哈佛大學的查爾斯?馬庫斯（Charles Marcus）說?！半S著時間的流逝,，我們會對自己說，｀我簡直不敢相信它竟然這么難,。＇我們會讓本科生來做這些事,。這就是科學的本質(zhì)?！?/p> ????如果讓科學家們預測在大約 20 年后,，量子技術會給世界帶來哪些變化，他們的想象力馬上就會瘋狂地馳騁起來,。最普遍的一項預測就是,，我們會看到──確切地說，我們根本看不見──計算機無所不在,，畫在墻上的,、鑲在椅子里的……還有植入你身體內(nèi)部的，它們相互之間保持著不斷的聯(lián)絡,，而且需要的電力一點也不比從空中接收無線電頻率多。 ????智能呈指數(shù)增長的計算機還可能實現(xiàn)計算機科學長期為之奮斗不懈的兩個目標: 模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡,，以及真正的（或近乎真正的）人工智能,?！斑@將彌補我的智力，”加州大學洛杉磯分校的亞布魯諾維契說,?！拔蚁胫朗裁矗涂梢杂盟樵?。我可能忘記的東西,，都可以用它找回來。我會變老,，但這沒關系,。我不必記住任何東西?！?/p> ????在所有科學家對量子未來的展望中,，沃爾夫的想法或許是最標新立異的?！拔蚁胂笪磥砦覀儗⒉辉偈褂帽銛y式電腦,，”沃爾夫說，“也不再使用手機,。我們會把它戴在身上,。它變成了一根發(fā)帶。而且我們也不需要屏幕了,，計算機會和右腦直接聯(lián)在一起,。” ????最近的實驗證明,，利用超聲波精確地瞄準,，很容易將信息傳遞給大腦。索尼公司（Sony）今年年初申請了一項專利,，可以通過超聲技術向我們的大腦播送電子游戲,。但這些游戲和我們現(xiàn)在的電子游戲完全不同。把超聲波傳感器上面的細帶子繞在你的頭上,，就可以用任何方式刺激你的任何感覺,。這些傳感器由高智能的量子計算機控制，每臺計算機都與一個擁有無限帶寬的全球性網(wǎng)絡連接在一起,。在機器的刺激下,，你會產(chǎn)生視覺、聽覺,、觸覺,、味覺、嗅覺等各種感覺,。獲取大腦返回的指示──換句話說,，就是閱讀思維的電腦──雖然稍微困難一點,，但并非不能實現(xiàn)（神經(jīng)科學家已經(jīng)為殘疾人開發(fā)了一種能夠解讀腦電波的通訊裝置）。 ????沃爾夫預計,，不出 20 年,，我們就會用“能上網(wǎng)的心靈感應術”取代現(xiàn)有的手機通信方式。想象一下,，你走在擁擠的街道上,，周圍的人群中有一小部分人決定用發(fā)帶傳送自己視野內(nèi)的信息──這樣你就真的可以繞過街角看到他們了。交通工具可以用思想來駕駛,。夢境可以被記錄下來,，通過網(wǎng)絡四處傳播，就像我們在 Flickr 上分享照片一樣簡單,。 ????當然,，某些人會對此感到不安，幾乎每項新科技都會讓某些人感到不安,。但是,，雖然我們還不清楚我們的社會會怎么應用量子計算技術，但怎樣進入量子時代卻是非常清楚的,?！傲钊梭@奇的是，我看不到有任何大的障礙阻止我們進入量子時代,，”沃爾夫說,。問題在于什么時候能夠?qū)崿F(xiàn)，而不是是否能實現(xiàn),；確切的時間（及地點）要由可以利用的研究經(jīng)費的金額來決定,。參加這場賽跑的當然不只是美國；歐洲人和日本人都在花錢做大量的研究工作,；印度和中國也加入了這一行列,。 ????我們面臨的主要局限并不是創(chuàng)造出真正的量子計算機，而是軟件工程師們的想象力,。這是對未來的谷歌天才們的最大挑戰(zhàn): 使計算技術和網(wǎng)絡的能量無限地發(fā)揮作用,，并創(chuàng)造出簡易的交互平臺，讓所有的人都能輕松掌握,。 ????但是,，發(fā)帶這種設想怎么樣？它會不會從身上掉下來,？“人們不喜歡把計算機植入大腦中,，”沃爾夫認為。“但如果你只是將它戴在頭上,，而它只是通過超聲波來與你聯(lián)系,，我的意思是，你就可以隨時將它取下來,。”就像以前出現(xiàn)的那些引起混亂的技術一樣──比如廣播,、電視和互聯(lián)網(wǎng),，可能要等到下一代人，才能真正認識到量子發(fā)帶的潛力,，并把它看成是正常的東西,。2006 年出生的沙朗?奧亞可能只會覺得，這種美好的未來是她和她所處的時代應該享受的,。 ????譯者: 廉曉紅 相關稿件
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