其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來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)算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串?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，這過程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號必然會(huì)產(chǎn)生熱量。倘若輸出時(shí)處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉(zhuǎn)換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學(xué)里的相關(guān)理論，能把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過程，由此引發(fā)了對量子計(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�。量子相干性是指量子之間的特殊聯(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�？梢园蚜孔酉喔尚詰�(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�！傲孔印辈皇且环N粒子，而是一種觀念或一種概念�！傲孔印币辉~來自拉丁語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。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，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。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭與外交之中。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發(fā)出來的。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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