论文部分内容阅读
2009年是量子计算机技术发展的丰收年。5月22日出版的《自然光子学》(Nature Photonics)杂志报导，来自澳大利亚国立大学的一个研究团队克服了量子信息传递中的一个主要困难，利用单个光源产生量子纠缠，从而使得更为简单的量子信息传输手段成为可能。6月28日的《自然》(Nature)杂志网络版报导，美国耶鲁大学的研究人员研制出世界上首个固态量子处理器，采用双量子比特超导芯片成功进行了如简单搜索这样的基础运算，向最终实现研制量子计算机的梦想又迈出了重要一步。9月10日该杂志又报导，澳大利亚国立大学的那个研究团队研发了一个完整的量子信息处理系统，可以用来处理已经存储的量子信息。12月10日，《ABC科学》(ABC Science)说，单原子晶体管已经被制造出来，而这是实现量子计算关键的一步。
实时模拟整个宇宙的歷史进程
量子计算机的基本想法是在上个世纪80年代由美国著名的物理学家费曼提出的。这是一种新的算法。使用任何器械进行计算，我们都需要算法。简单地说，算法就是在器械的物理状态与数学结构之间建立对应关系，从而使这些物理状态的变化实现数学计算。量子计算机所用的算法与传统计算机完全不同。对于数学计算来说，IBM公司去年发布的每秒钟运行千万亿次的Sequola超级计算机与中国古人用的算盘之间的差别仅仅是速度上的，它们都是用确定的物理状态来代表确定的数学量。亚原子尺度下粒子行为是不确定的，但遵守一些基本的量子力学规则，科学家把这些粒子所处的不确定状态称为量子状态。量子计算机的理念就是，利用量子状态来表示数学量。这个理念有意思的地方是，它使用本身是不确定的物理状态来表示确定的数。
传统计算机以开关作为模型来表示信息。一个开关具有通和断两个状态，分别用“1”和“0”来表示，这就构成了一个信息单元“比特(bit)”。量子计算的信息单元“量子比特(qubit)”远不止两个状态，多出的状态被科学家称为“迭加态”。量子力学与经典物理学的差别就体现在：传统物理学只允许粒子在任意瞬间只有一个状态，而量子力学则允许粒子同时具有不同的状态，即迭加态。在量子力学看来，一个粒子在同一时间可以即在这里，又在那里。这使量子计算在效率上要远远高于传统计算。
传统计算机即使看起来可以同时进行不同的计算任务，例如你可以用自己的PC机一边听歌一边写作。事实上，计算机的中央处理器(CPU)一次只能处理一次计算，只不过处理器在播放歌曲与记录你在键盘上输入的字符这两个任务间切换，切换速度快得你完全感觉不到而已。与此不同，量子计算则具有真正的并行处理机制。
量子比特由一组原子实现，量子比特的迭加使量子计算机具有内在并行性。物理学家DavidDeutsch指出，这种并行性使量子计算机能够同时进行一百万条计算。一台30个量子比特的量子计算机将会具有230(=109)个并行状态，也就是说，在理论上可以同时进行230次计算。而一台300量子比特的量子计算机所具有的并行状态量，就已经超出了可以看到的宇宙总的原子数目。可以设想造出这样一台量子计算机，它能够实时模拟整个可见宇宙的历史进程，这种模拟会落实到原子的层次!
帮助人类“借体还魂”
为了理解量子计算机可能带来的后果，我们需要重新理解“计算”这个概念。在上世纪40年代电子管的计算机发明之时，“计算”意味着加减乘除，高级_点的就是解微分方程。那时的计算机首先用来解决制造原子弹时遇到的计算问题。当时有科学家说，只要两三台那样的计算机，就能满足全美国的计算量。而现在我们知道，这个计算量连我们现在办公用的一台普通台式机(就不用说酷睿双核处理器了)的百分之一都不到。技术改变了概念。目前实现于台式机上的计算概念把多媒体考虑在内，这就是用数字来模拟音像信号。这是一种模拟计算的概念，我们在电脑游戏中看到的就是这种模拟。目前最高端的模拟计算用在像天气预报以及模拟核试验这样需要大量参数的场合。
对计算提出更高要求的是实时计算，这就是不仅要模拟实实在在发生的过程，而且要与这种过程同步。就模拟计算而言，我们既可以花一百年时间计算出一吨高爆炸药在地下一公里爆炸对地壳产生的影响。也可以在爆炸的瞬间给出计算结果，就好像爆炸实实在在发生一样。后者就是实时计算。
伴随实时计算而来的是“模拟实在”这个概念。所谓模拟实在，就是像实在的一样能够与人产生互动的对象和环境。交互式的网络游戏就是模拟实在的简单形式，你以你喜欢的身份生活于一个虚拟的环境中，与同样虚拟的东西打交道。由于计算能力离实时计算的要求还很遥远，现在的虚拟实在技术看起来有种皮影戏的感觉，有IMAX版的电影，你是不会去看皮影戏的。量子计算能够实现的不是简单的信号模拟，而是真正的全息模拟，这样，复现真实的事件过程才是可的。也只有在这种计算中，你才可能在广州你自己的办公室里享受到夏威夷的沙滩和阳光，而且绝对是高保真的。
通过这种全息模拟计算，可以把整个人的大脑状态储存起来，从而不仅克隆身体，而且克隆心灵。这样也许会实现非常多看似不可能的事情。例如，人可能不会死亡了，因为我们可以放弃原来的身体，而把自己复制到一台量子计算机中。例如，可以实现一种超远程旅行，方法是把你的心灵在甲地模拟出来，然后通过电磁波传输到乙地，在乙地“实现到”某个身体中。这些例子也许是极端的，但在量子计算概念中这不是不可能，由此可以看出量子计算能在多大程度上改变我们的世界。
实时模拟整个宇宙的歷史进程
量子计算机的基本想法是在上个世纪80年代由美国著名的物理学家费曼提出的。这是一种新的算法。使用任何器械进行计算，我们都需要算法。简单地说，算法就是在器械的物理状态与数学结构之间建立对应关系，从而使这些物理状态的变化实现数学计算。量子计算机所用的算法与传统计算机完全不同。对于数学计算来说，IBM公司去年发布的每秒钟运行千万亿次的Sequola超级计算机与中国古人用的算盘之间的差别仅仅是速度上的，它们都是用确定的物理状态来代表确定的数学量。亚原子尺度下粒子行为是不确定的，但遵守一些基本的量子力学规则，科学家把这些粒子所处的不确定状态称为量子状态。量子计算机的理念就是，利用量子状态来表示数学量。这个理念有意思的地方是，它使用本身是不确定的物理状态来表示确定的数。
传统计算机以开关作为模型来表示信息。一个开关具有通和断两个状态，分别用“1”和“0”来表示，这就构成了一个信息单元“比特(bit)”。量子计算的信息单元“量子比特(qubit)”远不止两个状态，多出的状态被科学家称为“迭加态”。量子力学与经典物理学的差别就体现在：传统物理学只允许粒子在任意瞬间只有一个状态，而量子力学则允许粒子同时具有不同的状态，即迭加态。在量子力学看来，一个粒子在同一时间可以即在这里，又在那里。这使量子计算在效率上要远远高于传统计算。
传统计算机即使看起来可以同时进行不同的计算任务，例如你可以用自己的PC机一边听歌一边写作。事实上，计算机的中央处理器(CPU)一次只能处理一次计算，只不过处理器在播放歌曲与记录你在键盘上输入的字符这两个任务间切换，切换速度快得你完全感觉不到而已。与此不同，量子计算则具有真正的并行处理机制。
量子比特由一组原子实现，量子比特的迭加使量子计算机具有内在并行性。物理学家DavidDeutsch指出，这种并行性使量子计算机能够同时进行一百万条计算。一台30个量子比特的量子计算机将会具有230(=109)个并行状态，也就是说，在理论上可以同时进行230次计算。而一台300量子比特的量子计算机所具有的并行状态量，就已经超出了可以看到的宇宙总的原子数目。可以设想造出这样一台量子计算机，它能够实时模拟整个可见宇宙的历史进程，这种模拟会落实到原子的层次!
帮助人类“借体还魂”
为了理解量子计算机可能带来的后果，我们需要重新理解“计算”这个概念。在上世纪40年代电子管的计算机发明之时，“计算”意味着加减乘除，高级_点的就是解微分方程。那时的计算机首先用来解决制造原子弹时遇到的计算问题。当时有科学家说，只要两三台那样的计算机，就能满足全美国的计算量。而现在我们知道，这个计算量连我们现在办公用的一台普通台式机(就不用说酷睿双核处理器了)的百分之一都不到。技术改变了概念。目前实现于台式机上的计算概念把多媒体考虑在内，这就是用数字来模拟音像信号。这是一种模拟计算的概念，我们在电脑游戏中看到的就是这种模拟。目前最高端的模拟计算用在像天气预报以及模拟核试验这样需要大量参数的场合。
对计算提出更高要求的是实时计算，这就是不仅要模拟实实在在发生的过程，而且要与这种过程同步。就模拟计算而言，我们既可以花一百年时间计算出一吨高爆炸药在地下一公里爆炸对地壳产生的影响。也可以在爆炸的瞬间给出计算结果，就好像爆炸实实在在发生一样。后者就是实时计算。
伴随实时计算而来的是“模拟实在”这个概念。所谓模拟实在，就是像实在的一样能够与人产生互动的对象和环境。交互式的网络游戏就是模拟实在的简单形式，你以你喜欢的身份生活于一个虚拟的环境中，与同样虚拟的东西打交道。由于计算能力离实时计算的要求还很遥远，现在的虚拟实在技术看起来有种皮影戏的感觉，有IMAX版的电影，你是不会去看皮影戏的。量子计算能够实现的不是简单的信号模拟，而是真正的全息模拟，这样，复现真实的事件过程才是可的。也只有在这种计算中，你才可能在广州你自己的办公室里享受到夏威夷的沙滩和阳光，而且绝对是高保真的。
通过这种全息模拟计算，可以把整个人的大脑状态储存起来，从而不仅克隆身体，而且克隆心灵。这样也许会实现非常多看似不可能的事情。例如，人可能不会死亡了，因为我们可以放弃原来的身体，而把自己复制到一台量子计算机中。例如，可以实现一种超远程旅行，方法是把你的心灵在甲地模拟出来，然后通过电磁波传输到乙地，在乙地“实现到”某个身体中。这些例子也许是极端的，但在量子计算概念中这不是不可能，由此可以看出量子计算能在多大程度上改变我们的世界。