據(jù)科學(xué)家分析，量子計(jì)算幾分鐘相當(dāng)于全球計(jì)算機(jī)近百萬年的計(jì)算工作量。

只能說，量子計(jì)算機(jī)很夸張，很夸張，很夸張?。?！很讓人期待！

什么是量子計(jì)算機(jī)

　　量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的設(shè)備。普通計(jì)算機(jī)存儲數(shù)據(jù)的對象是晶體管電路的狀態(tài)，而量子計(jì)算用來存儲數(shù)據(jù)的對象是粒子的量子狀態(tài)，它使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

　　當(dāng)使用普通計(jì)算機(jī)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量十分龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間也相當(dāng)?shù)拈L，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德·費(fèi)曼在1985年就想到用量子系統(tǒng)構(gòu)建計(jì)算機(jī)，來模擬量子現(xiàn)象時(shí)運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，于是量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。

量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

　　事實(shí)上，設(shè)計(jì)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)很容易，主要的系統(tǒng)如下圖。典型的計(jì)算機(jī)大家夠熟悉，建造量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵在于你需要一些東西將量子理論和典型計(jì)算機(jī)結(jié)合起來。但是目前為止我們還沒有很好的接口或者裝置來探知和控制粒子的量子狀態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　量子理論中有一個(gè)著名的薛定諤之貓實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)封閉的密室，有一只貓一瓶毒藥和一個(gè)放射性物質(zhì)，毒藥瓶上有一個(gè)錘子，是由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，放出α粒子，觸動電子開關(guān)，錘子落下砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無疑。也許你會認(rèn)為只要過足夠的時(shí)間，一定會有原子核衰變放出α粒子，此時(shí)貓是死的。但是量子理論認(rèn)為，如果不打開密室，我們永遠(yuǎn)不知道里面的貓是死是活，將永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

薛定諤之貓

量子計(jì)算機(jī)的成敗的關(guān)鍵在于在于量子的狀態(tài)，如果我們能有效的控制粒子狀態(tài)，就能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。不過到目前為止還沒有裝置或設(shè)備來探知薛定諤之貓密室里面的原子核量子狀態(tài)，這也是為什么只有打開密室才能知道薛定諤之貓是死是活了。

控制量子的方法十分困難，這就是為什么今年的諾貝爾物理學(xué)獎?lì)C發(fā)給David Wineland和Serge Haroche，他們分別找到測量和操控單個(gè)粒子的方法并且還保持著他們的量子物理性質(zhì)。

　　這項(xiàng)研究將推動超快量子計(jì)算機(jī)的建立。量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢在于強(qiáng)大的并行計(jì)算速度。一位量子學(xué)教授表示，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)畢竟是二進(jìn)制的，一遇到比較復(fù)雜的建模，像準(zhǔn)確預(yù)測天氣，預(yù)測更長時(shí)間后的天氣等等，就會很費(fèi)力費(fèi)時(shí)；而超快量子計(jì)算機(jī)就能算，算得超快。

　　因?yàn)楫?dāng)許多個(gè)量子狀態(tài)的原子糾纏在一起時(shí)，它們又因量子位的“疊加性”，可以同時(shí)一起展開“并行計(jì)算”，從而使其具備超高速的運(yùn)算能力?！半娮泳€性計(jì)算方式如同萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋，而量子并行運(yùn)算好比萬只飛鳥同時(shí)升上天空”。

Roadrunner（走鵑）

　　不過就現(xiàn)在看來，我們離量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)還很早，一臺量子計(jì)算機(jī)甚至可能會占用整個(gè)房間，比現(xiàn)在的超級計(jì)算機(jī)還要大。而且它幾乎肯定會需要現(xiàn)在普通的計(jì)算機(jī)，來控制這些粒子的量子狀態(tài)、管理低溫冷卻器以及各種設(shè)備。但如果科學(xué)家能夠精確地探知控制粒子狀態(tài)，量子計(jì)算機(jī)將提供比現(xiàn)在的超級計(jì)算機(jī)不能達(dá)到的計(jì)算能力。

　　此外，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲信息是通過接通或關(guān)斷的電流，通過蝕刻在硅芯片的晶體管的狀態(tài)來存儲信息。傳統(tǒng)數(shù)字1表示通過讓電流的流過。數(shù)字0表示的保持電路的斷開。每一年，英特爾，IBM、AMD和Nvidia等都在如何減小晶體管制程工藝上下文章，在有限的空間里放置更多的硅晶體管，以便存儲更多的信息。不過工程師都知道這會有一個(gè)物理極限。最終，摩爾定律，集成電路的晶體管數(shù)量大約每18個(gè)月增加一倍，將會成為歷史。因此尋找儲存信息的方法也是個(gè)企業(yè)研究的重要方向。

摩爾定律遲早會被歷史的車輪碾的粉碎！

例如今年年初IBM就提出來直接利用原子磁矩的方向組合來存儲計(jì)算機(jī)語言中的0和1。提到存儲，比特（bit）是最小的單位，然而一比特需要多少個(gè)原子呢？IBM的研究人員用納米技術(shù)詮釋了這一概念，存儲一比特信息僅需12個(gè)原子。該項(xiàng)技術(shù)能大大提升了存儲的密度，相比于現(xiàn)在的硬盤，同單位面積能夠存儲的信息量有百倍以上的提升。

一比特僅需12原子

　　集成電路的晶體管隨著摩爾定律越來越密集，在晶體管大小越來越達(dá)到的物理極限的形勢下，迫使人們尋求新的技術(shù)，才能將性能進(jìn)一步提升。一比特僅需12各原子，存儲性能達(dá)到如今硬盤的百倍以上，在信息時(shí)代下大數(shù)據(jù)的趨勢中無疑將發(fā)揮重要的作用

　　比特是計(jì)算機(jī)信息單元的基本單位，一比特有兩個(gè)值：0和1。IBM采用鐵原子磁矩的方向組合來存儲計(jì)算機(jī)語言中的0和1，也許大家會說了，為什么不直接用鐵原子的磁矩方向代表0和1呢？這樣只需一個(gè)原子就可存儲1比特的信息，何須12個(gè)原子？

一比特僅需12原子

　　這里的問題是，相鄰的鐵原子磁矩會互相干擾，相信大家都玩過磁鐵，兩塊磁鐵相互靠近時(shí)，會有相互作用，或是排斥或是吸引。微觀世界中的原子磁矩也是如此。因此才需要找到穩(wěn)定的鐵原子磁矩的方向組合來存儲計(jì)算機(jī)語言中的0和1。

一比特僅需12原子

　　比特這一計(jì)算機(jī)信息最小單位，需要多少個(gè)原子呢？有些資料顯示，如今的硬盤雖然已經(jīng)能達(dá)到單個(gè)TB級的容量，但是存儲1比特的信息也要百萬個(gè)原子。

12個(gè)鐵原子微觀示意圖

IBM通過使用掃描隧道顯微鏡(STM)將12個(gè)反磁性關(guān)聯(lián)原子組合在一起，存儲一個(gè)比特的數(shù)據(jù)，并在低溫下維持了幾個(gè)小時(shí)之久，證明代表0或1的原子磁矩穩(wěn)定組合的原子數(shù)可以遠(yuǎn)比之前想象少得多。存儲密度能夠達(dá)到當(dāng)今機(jī)械硬盤或是固態(tài)硬盤的百倍以上。

量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是能改變世界的技術(shù)，特別在先進(jìn)學(xué)科方面努力的中國也都在積極研究量子計(jì)算機(jī)。