选自英国 经济学家》周~1J2006年5月6Et
东 坡／译
量子计算机的前途
电 脑 即将 遇 到 一 个 新 问题 。 每
一 代 新 电 脑 的 部 件 体 积 都 在 缩 小 ，
小型 化的速 度表 明I5年 左右 会达到极
限 。那 时 ，很可能 不仅量 子 力学的奇
怪效应 会 占据 主导 地位 ，而且 电脑部
件都是 原子级 别 的 ，无法再 缩 小 了，
因此科 学家和 工程 师们都 在寻求 制 作
电脑的新途 径。
他 们 正 在 探 索 的 、伦 敦 皇 家协
会最近 开会 讨论 的一条途 径 ，是 所谓
量子计 算 。这 项技 术不是 ’试 图克服量
子 的 古 怪 性 ，而 是 利 用 和 开 发 这 种
古怪性 。量子 电 脑同现存 电脑 的区 别
在于 它能平 行处理 、计算 数字 。两种
电脑都 使用 二进制 ，但使 用方式 非常
不 同。现在 的电 脑用比特 (二进 数字
0和 1)来处 理和储 存信息 ，但一 个 比
特不是 0就 是 1，不能 既是0又是 l。量
子电脑就不受这 个限制 。
量 子 理 论 认 为 亚原 子粒 子 可 以
同时以 一种 以上形 态存在 ，这个 现象
叫做 叠加 。例 如 ，电子有一 种 叫做转
动惯量 的属性 ，能 “上 能 “下 ” ，
或把 “上 ” “下 ” 奇 怪 地 组 合 在 一
起 。利 用 电子 的转 动惯量 来代表 一个
比特数据 ，就 能使 它同时具 有上 和下
(即0和 1)的属性 。用行 话说 ，这时
不叫一个 比特 ，而叫一 个量 比特。
从比特到量比特
量 比特 与 比特 不 同 ，它 可以(至
少在理 论上 ，而且程 序能 够正确 书写
的话 )同时 用于一 种以上计 算 。如果
你添加 额外的 量 比特 ，过程 就以 几何
级数升 级 。具 有两 个量 比特 的量 子计
算机 可以平 行运行 四种 计算 。一 个有
20个量 比特 的装 置可以运 行的计 算在
l00万种 以上 。有 1000个 量 比特 的装
置就 能同时进 行 更多的计算 ，计 算的
种数大 于可 见宇宙的粒子总 数。
正是 这 种 几 何 升 级 使 得量 子 计
算 的潜 力大得 可怕 量子计 算不 仅解
决 了小 型化 问题 ，据 说还 能使 电脑的
创造性远 远超过 现 在的 电脑。量 子计
算机能够 更快 地进行 日常 计算 ，解决
现 在难 以处理 的问题 。据这 个领域 的
研究 人 员 朗讯 技术 公 司的 罗夫 -格
鲁夫 (Lov Grover)说 ，它甚至能 为
如今 只能 猜想 的新 型应用 程序开 辟使
用空 间。
但 愿 量 子 计 算 机 能 够 制 造 出
来 。现在 只有小 级 别的装 置拿 出来展
示 ，而且 都需要 有严 格规 定的外部 条
件 。
量 子 计算 机 的敏 感 性 有 一 个 原
因 ，就是 量比特 只有 在不 与其他 客体
相互作用的情况下，才能维持量子叠
加 。因此 它们必 须同环 境隔离 。牛 津
大学 纳米 材料专 家安 德鲁 ·伯里格斯
(Andrew Briggs)是研究这个 问题
的 国际协 作组成 员。 他在 皇 家协 会会
议上说 ，他和他 的小组 最近成 功地将
一 个 氮原子 关进 了～个冰 水混 合球里
(由60个碳 原子 形成 的球 ) ，用 它的
电子 当一 个量比特使 用。
由此 产 生 的 分 子 使 量 比 特保 持
叠加 时 间是 500纳 米秒 ，比研 究过的
其他 分子 系统保持 的时 间长 。遗憾 的
是 ，时 间仍 很短 (精 确 地说 是 1秒 的
l0亿分 之 50 o)，显 然不 足 以进 行 计
算 。为 了使叠加时 间延 长一些 ，该小
组不断 用微 波脉 冲来刺激 量 比特 ，这
个技 术叫做 “不断 重击 ” 。这 样就能
阻止 量比特 与环境 发生 作用 ，使叠加
现象维持的时 间延长 。
迄 今 为止 ，只 完 成 这 些 成 果 。
使用碳 原子球 使量 比特 隔离 ，可能非
常管 用 ，因为除 了氮以 外的其 他物 质
原子也 可以 用此 方法关起 来 。这样就
可能 找到 更多适 合的物 质来用 作量 比
特 ，就能利 用 电子 转动惯 量 以外的 属
性来 创造 叠加 。 不过这 个工作 还处在
单个 量比特 的水平 ，要过 许 多年才能
进入商业 使用 领域 。
第 二种 方 法 是 大 卫 ·威 廉 姆斯
(David WilIiams)的 小组所使用 的 ，
大卫在 剑桥 的 日立 研究实 验室 工作 。
他们 的方 法也许 更管用 。威廉 姆斯博
士的 小组 准备用现 有 的硅 芯 片来制造
量子计 算机 。这种 计算机 的优 点是 ，
技术上 已经 成熟 。他们 的想法 是在表
面制 造 “量 子点 ”—— 可以起 量 比特
作用 的物 质小点 ，然后 用级 别更大 的
结构 来操控 这些量 子点 ，产生 的是类
似于 实际 电脑的东 西 ，而 不是 一种 古
怪 的实验 。的 确 ，现在 实验 室在制 造
半导 体量 比特 的所有 成分 ，有些成 分
甚至 已经组 合起 来 。不过完 整的 电路
还未 公开 展示过 。
制 造 量子 计 算 机 的第 三 种 方 法
是使 用振 荡 电磁 波收集 到 的离子 (带
电荷 的原子 )作 为量 比特 许 多科 研
小组正 在研 究这 个方 法。例 如 ，去 年
密歇 根大学 一 个科研 小组研制 出了具
有离子 阀功 能 的半导体 芯片 。用标 准
的石 印技术 来制造 这些 装置 ，使这 种
装置 作为制造 量子 计算机 的 一种方 式
而产生吸 引力 。
第四种方法
不 过 ，执 著 干 经 过 考 验 的 可 靠
方法 ，也许不 是正 确的途 径 。总而 言
之 ，当初 使数 字计 算机得 以产 生的并
不 是 已经存在 的真 空管技 术 ，而是一
种 新的 叫做 晶体管 的发 明 ，它 一开始
极 不稳 定 。利 用现 有技术 来开 发量子
计 算机 ，也许 同样是 错误 的 。在这 个
背景 下 ，一种 新发 现 的 ，叫做 玻 色一
爱因斯 坦凝聚 物的 物 质形 式 ，可 能是
正确的前进方 向。
在 玻 色 一爱 因斯 坦 凝 聚 物 中 ，
原 子非 常之冷 ，都 处在最 低的量 子状
态。这就 是说 ，这 些原子 在量子 方面
都 是一样 的 ，从而 意味着 它们 的原子
可 以作 为一个 单一 量子发 挥作 用。如
果 能在功 能机 器 中能解决 使它们 保持
绝 对零 度这一 不太 大的难 题的话 ，它
就 是量比特的理 想材料 。
有 些 科 研 小 组 正 在研 究 这 个 问
题 ，如 伦 敦 帝 国 大 学 爱 德 -海 因 兹
(Ed Hinds)领 导的研究 组。海 因兹
博 士通过 以特 殊方 法调节过 的激 光来
攻 击原子 ，制造 凝 聚物 这 个方 法能
使 原子释 放能 量 ，泄 出热 量 ，最 后冷
却为 能为 电磁场 捕捉的量子 统一体 。
以 后 会 发 生 什 么 现 在 还 不 清
楚。海 因兹tg士还 不知道 如何来 处理
他 最近 制 造 出的量 比特 昵 。玻 色一爱
因斯坦 凝聚物 也不 一定就是 下一 代晶
体 管 。但 是量 子计 算现在 已经获 得 了
自己的发 展动 力 ，再过 j5年 ，谁知道
会 是什么结果呢 ?
维普资讯
选自英国《经济学家》周刊2006年5月6日
东坡/译
叶一…&斗机m略一艺工
子计 矶的前途
电脑即将遇到l→个新问题。每
→代新电脑的部件体积都在缩小，
小型化的速度表明15年左右会达到极
限。那时，很可能不仅量子力学的奇
怪效应会占据主导地位，而且电脑部
件都是原子级别的，无泣再缩小了，
因此科学家和工程师们都在寻求制作
电脑的新途径。
他们正在探索的、伦敦皇家协
会最近开会讨论的→条途径，是所谓
量子计算。这项技术不是试图克服量
子的古怪性，而是利用和开发这种
古怪性。量子电脑同现存电脑的区别
在于它能平行处理、计算数字。两种
电脑都使用三进制. 1旦使用方式非常
不同。现在的电脑用比特(二进数字
。和 1 )来处理和储存信息，但→个比
特不是0就是 1 .不能既是0又是 l 。量
子电脑就不受这个限制。
量子理论认为亚原子粒子可以
同时以→种以上形态存在，这个现象
叫做叠加。例如，电子有一种叫做转
动惯量的属性，能"上"能"卡"
或把"上"--p"奇怪地组合在一
起。利用电子的转动惯量来代表→个
比特数据，就能使它同时具有上和下
(即0和1)的属性。用行话说，这时
不叫一个比特，而叫一个量比特。
从比特到量比特
量比特与比特不同，它可以(至
少在理论上，而且程序能够正确书写
的话)同时用于一种以上计算。如果
你添加额外的量比特，过程就以几何
级数升级。具有两个量比特的量子计
算机可以平行运行四种计算。一个有
20个量比特的装置可以运行的计算在
100万种以上。有 1000个量比特的装
置就能同时进行更多的计算，计算的
种数大于可见宇宙的粒子总数。
正是这种几何升级使得量子计
算的潜力大得可怕。量子计算不仅解
决了小型化问题，据说还能使电脑的
创造性远远超过现在的电脑。量子计
算机能够更快地进行日常计算，解决
现在难以处理的问题。据这个领域的
研究人员、朗讯技术公司的罗夫·格
··盟-惨科学文摘
鲁夫 (Lov Grover) 说，它甚至能为
如今只能猜想的新型应用程序开辟使
用空间。
但愿量子计算机能够制造出
来。现在只有小级别的装置拿出来展
示，而且都需要有严格规定的外部条
件。
量子计算机的敏感性有→个原
因，就是量比特只有在不与其他客体
相互作用的情况 r. 才能维持量子叠
加。因此它们必须同环境隔离。牛津
大学纳米材料专家安德鲁·伯里格斯
(Andrew Brìggs) 是研究这个问题
的国际协作组成员。他在皇家协会会
议上说，他和他的小组最近成功地将
一个氮原子关进了二个冰水混合球里
(由60个碳原子形成的球) .用它的
电子当→个量比特使用。
由此产生的分子使量比特保持
叠加时间是500纳米秒、比研究过的
其他分子系统保持的时间长。遗憾的
是，时间仍很短(精确地说是 1秒的
10亿分之500) .显然不足以进行计
算。为了使叠加时间延长→些，该小
组不断用微波脉冲来剌激量比特，这
个技术叫做"不断重击"。这样就能
阻止量比特与环境发生作用，使叠加
现象维持的时间延长。
迄今为止，只完成这些成果。
使用碳原子球使量比特隔离，可能非
常管用，因为除了氮以外的其他物质
原子也可以用此方法关起来。这样就
可能找到更多适合的物质来用作量比
特，就能利用电子转动惯量以外的属
性来创造叠加。不过这个工作还处在
单个量比特的水平，要过许多年才能
进入商业使用领域。
第二种方法是大卫·威廉蝇斯
(Davìd Willìams) 的小组所使用的，
大卫在剑桥的日立研究实验室工作。
他们的方法也许更管用。威廉姆斯博
士的小组准备用现有的硅芯片来制造
量子计算机。这种计算机的优点是，
技术土已经成熟。他们的想越是在表
面制造"量子点"→←可以起量比特
作用的物质小点，然后用级别更大的
居构来操控这些量子点，产生的是类
似于实际电脑的东西，而不是一种古
怪的实验。的确，现在实验室在制造
半导体量比特的所有成分，有些成分
甚至已经组合起来。不过完整的电路
还未公开展示过。
制造量子计算机的第三种方法
是使用振荡电磁波收集到的离子(带
电荷的原子)作为量比特。许多科研
小组正在研究这个方法。例如，去年
密歇根大学→个科研小组研制出了具
有离子阀功能的半导体芯片。用标准
的石印技术来制造这些装置，使这种
装置作为制造量子计算机的一种方式
而产生吸引力。
第四种方法
不过，执著于经过考验的可靠
方曲，也许不是正确的途径。总而言
之，当初使数字计算机得以产生的并
不是已经存在的真空管技术，而是一
种新的叫做晶体管的发明，它一开始
极不稳定。利用现有技术来开发量子
计算机，也许同样是错误的。在这个
背景r. →种新发现的，叫做玻色→
爱因斯坦凝聚物的物质形式，可能是
正确的前进方向。
在玻色一爱因斯坦凝聚物中，
原子非常之冷，都处在最低的量子状
态。这就是说，这些原子在量子方面
都是一样的，从而意味着它们的原子
可以作为一个单→量子发挥作用。如
果能在功能机器中能解决使它们保持
绝对零度这一不太大的难题的话，它
就是量比特的理想材料。
有些科研小组正在研究这个问
题，如伦敦帝国大学爱德·海因兹
(Ed Hinds) 领导的研究组。海因兹
博士通过以特殊方曲调节过的激光来
攻击原子，制造凝聚物。这个方怯能
使原子释放能量，泄出热量，最后冷
却为能为电磁场捕捉的量子统 4体。
以后会发生什么现在还不清
楚。海因兹博士还不知道如何来处理
他最近制造出的量比特呢。玻色一爱
因斯坦凝聚物也不一定就是下一代晶
体管。但是量子计算现在已经获得了
自己的发展动力，再过15年，谁知道
会是什么结果呢?
