諾貝爾獎(jiǎng)垂青量子物理量子計(jì)算機(jī)掙脫摩爾定律緊箍咒

1、諾貝爾獎(jiǎng)垂青量子物理量子計(jì)算機(jī)掙脫摩爾定律緊箍咒10月9日，瑞典皇家科學(xué)院會(huì)議廳，瑞典皇家科學(xué)院常任 秘書諾爾馬克宣布將2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)物理 學(xué)家塞爾日阿羅什(serge haroche)和美國(guó)物理學(xué)家戴 維瓦恩蘭(david j. wineland)o隨后，諾爾馬克闡述了 "f突破性的實(shí)驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可 能”的獲獎(jiǎng)理由。他們的科學(xué)成果不僅開啟了量子物理新時(shí) 代的大門，同時(shí)也預(yù)示著速度超快超可靠的量子計(jì)算機(jī)的創(chuàng) 造之路邁出了第一步。自1982年理查德費(fèi)曼(richard feynman)提出"量 子計(jì)算機(jī)”的概念之后，人們對(duì)它頗為關(guān)注，

2、眾多研究機(jī)構(gòu) 更是試圖借此開辟計(jì)算機(jī)時(shí)代的新紀(jì)元。但是，任憑人們千 呼萬喚、前赴后繼，都沒能夠徹底揭開量子計(jì)算機(jī)的面紗。 那么，量子計(jì)算機(jī)到底發(fā)展到了什么樣的階段？遇到了什么 障礙？此次諾貝爾獎(jiǎng)會(huì)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)起到什么推動(dòng) 作用？量子計(jì)算機(jī)一旦面世，隨之而來的會(huì)是什么?量子計(jì)算機(jī)是大勢(shì)所趨所謂量子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單來說就是利用量子攜帶信息、存 儲(chǔ)數(shù)據(jù)，遵循量子算法進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的物理設(shè) 備。我們熟知的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“心臟”依賴的是硅芯片，但 是一個(gè)芯片的面積總是有限的。硅晶體管作為在芯片上傳輸信息、處理信息的微型開 關(guān)，每年都在縮小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸 縮小（現(xiàn)已達(dá)到納米

3、級(jí)）將限制性能的提升。所以，對(duì)晶體 管進(jìn)行傳統(tǒng)的尺寸的擴(kuò)展和收縮操作，不能再產(chǎn)生行業(yè)已經(jīng) 習(xí)慣的更低功耗、更低成本、更高速度的處理器的效果。雖 然英特爾的22納米處理器已經(jīng)面世，還計(jì)劃于2013年推出 14納米處理器，對(duì)于10nm、7nm以及5nm的制程研發(fā)路線圖 也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了 10的負(fù)10次方米以 下，就會(huì)明顯出現(xiàn)量子特性，所以大部分物理學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為, 摩爾定律不可能無限維持。為了突破這道瓶頸，ibm 一直致力于研發(fā)碳納米管芯片，其研究人員在一個(gè) 硅芯片上放置了 1萬多個(gè)碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅 質(zhì)器件更快的運(yùn)行速度。ibm聲稱這一成果有望讓摩爾定律 在下一個(gè)十年

4、中繼續(xù)生效。但是，如何獲得高純度的碳、如 何實(shí)現(xiàn)完美的制造工藝又是不可避免的問題。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)是利用量子攜帶信息的，所以，傳統(tǒng)計(jì) 算機(jī)面臨的挑戰(zhàn)恰恰是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。量子計(jì)算機(jī) 中的每個(gè)數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，根據(jù)量子力學(xué)原 理，粒子的量子狀態(tài)是不同量子狀態(tài)的疊加。所以，量子計(jì) 算機(jī)計(jì)算時(shí)采用的量子比特在同一時(shí)間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種 狀態(tài)一一既可以是1也可以是0,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中采用 的傳統(tǒng)比特在特定時(shí)間內(nèi)只能代表一個(gè)狀態(tài)1或者0o 這就是量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大的不同之處。由于量子 疊加狀態(tài)的不確定性，量子計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，它 的潛在應(yīng)用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)

5、庫(kù)，進(jìn)行任 務(wù)最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學(xué)問題。所以，量子計(jì)算 機(jī)是大勢(shì)所趨。實(shí)現(xiàn)方案眾多量子計(jì)算機(jī)以其獨(dú)特的運(yùn)算邏輯和強(qiáng)大的運(yùn)算性能吸 引了無數(shù)研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行研究，也相繼取得了一 些成果。量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器 和內(nèi)存，所以研制量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于成功操控單個(gè)量子。 相信大家一定對(duì)“薛定銬的貓”這一理論并不陌生，關(guān)在密 閉籠子里的貓，由于量子狀態(tài)的不確定性，人們永遠(yuǎn)不知道 它是活著還是死亡。所以，處于宏觀世界的我們?nèi)绾尾拍軌?有效操控微觀世界的粒子，是極大的難題。從理論上講，量 子計(jì)算機(jī)有幾十種體系，從實(shí)驗(yàn)上也有十幾種實(shí)現(xiàn)方法。阿羅什帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)利用微米量級(jí)

6、的高反射光學(xué)微腔 實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子輻射光子的操作；瓦恩蘭的團(tuán)隊(duì)則利用可結(jié) 合激光冷卻技術(shù)，在離子阱中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)離子的囚禁；ibm 的托馬斯沃森研究中心組建了一支龐大的研究團(tuán)隊(duì)，依賴 耶魯大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校過去幾年在量子計(jì)算領(lǐng) 域取得的進(jìn)展，意欲基于微電子制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算；美 國(guó)普林斯頓大學(xué)物理副教授杰森培塔表示，他和加州大學(xué) 圣巴巴拉分校的科學(xué)家利用電子的自旋特性，尋找到了操控 電子的方法；利用聲波和超導(dǎo)材料，也可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī) 的拓展；總部位于加拿大的d-wave公司的量子芯片使用了 特殊的鋸金屬（元素符號(hào)nb, 種類似于銀，柔軟的、可延 展的金屬）材料，在低溫下呈超導(dǎo)態(tài)，其中的

7、電流有順時(shí)針、 逆時(shí)針以及順逆同時(shí)存在的混合狀態(tài)，而這正可以用來實(shí)現(xiàn) 量子計(jì)算。眾多方法中，最值得一提的便是阿羅什和瓦恩蘭的做 法。阿羅什構(gòu)造了一個(gè)腔，把單個(gè)光子囚禁在光腔里，實(shí)現(xiàn) 量子的操控，再往腔里放入單個(gè)原子，使原子和光子相互作 用，通過腔的損耗來調(diào)控它們的狀態(tài)。瓦恩蘭捕獲離子的方 法，是用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，離子如被裝進(jìn)碗 里的玻璃球，而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個(gè) 離子安靜地待在碗底。他們獨(dú)立發(fā)明并優(yōu)化了測(cè)量與操作單 個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)方法，而且單個(gè)粒子在實(shí)驗(yàn)過程中還能保持量 子的物理性質(zhì)。中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦這樣評(píng)價(jià)阿羅什和瓦恩蘭的成 就：量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了飛

8、速發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已 經(jīng)超過當(dāng)初的技術(shù)，但是起點(diǎn)是他們。我們現(xiàn)在關(guān)注的不是 單個(gè)離子，而是多個(gè)離子的糾纏，比如兩個(gè)腔怎么連在一起, 這是將來要做的，此外，還會(huì)有各種各樣的腔，比如光學(xué)腔、 物體腔和超導(dǎo)腔等。現(xiàn)在做量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上就是做芯片, 把很多離子糾纏在一起，分到各個(gè)區(qū)里面，如果這一步能實(shí) 現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)有希望在這方面實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破。過程艱難但前景樂觀自“量子計(jì)算機(jī)”的概念提出到現(xiàn)在的30年間，科學(xué) 家們紛紛涉足，不管是在理論方面，還是實(shí)踐方面，都取得 了一些不可忽視的成就。近幾年來，量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域更是全面開花，量子計(jì)算 機(jī)不再是人們“只聞其名，不見其形”的概念型產(chǎn)品。英國(guó) 布里斯托爾

9、大學(xué)等機(jī)構(gòu)以奧布賴恩為領(lǐng)導(dǎo)的研究人員更是 在新一期美國(guó)科學(xué)雜志上宣布，成功研發(fā)出一種可用于 量子計(jì)算的硅芯片。奧布賴恩表示，利用這種芯片技術(shù)，10 年內(nèi)可能就會(huì)研制出超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。想要研制出實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，需要面臨科學(xué)技術(shù)方面 的多重挑戰(zhàn)，其中最主要的兩大障礙就是：如何讓粒子長(zhǎng)時(shí) 間保持量子狀態(tài)，即保持相干性；如何讓盡量多的粒子實(shí)現(xiàn) 共同計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)量子糾纏。阿羅什和瓦恩蘭給出的實(shí)驗(yàn)方 法均成功地打破了這些障礙，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)性的突破。近幾年 來，研究人員以他們的研究成果為出發(fā)點(diǎn)，不斷探索，取得 了快速進(jìn)展，可謂前景樂觀。需要注意的是，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)會(huì)將網(wǎng)絡(luò)安全置于非 常危險(xiǎn)的境

10、地，給現(xiàn)有的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)體系以及國(guó)防帶來潛在 威脅。目前大部分的網(wǎng)絡(luò)保密是使用“rsa公開碼”的密碼 技術(shù)。想要破譯這種密碼，就要對(duì)大數(shù)分解質(zhì)因子，這是極 其困難的。按照現(xiàn)有的理論計(jì)算，分解一個(gè)400位數(shù)的質(zhì)因 子，用目前最先進(jìn)的巨型計(jì)算機(jī)也需要用10億年的時(shí)間， 而人類的歷史才不過幾百萬年。然而，量子計(jì)算機(jī)能夠借助 其強(qiáng)大的運(yùn)算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴(yán)重動(dòng)搖了 rsa公 共碼的安全性。目前，量子計(jì)算機(jī)給人們的印象不過類似于一個(gè)玩具， 娛樂價(jià)值似乎更高一些，但是在不久的將來，它一定能夠引 領(lǐng)計(jì)算機(jī)世界的潮流。相關(guān)鏈接量子計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼(richard fe

11、ynman)提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。 1985年，英國(guó)牛津大學(xué)的d. deutsch進(jìn)一步闡述了 量子計(jì)算機(jī)的概念，并且證明了量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典圖靈計(jì)算 機(jī)具有更強(qiáng)大的功能。 1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得秀爾(peter shor)證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，而且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算 機(jī)。 2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國(guó)誕生, 它基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。 2007年2月，加拿大d-wave系統(tǒng)公司宣布研制成功 16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。 2009年，世界第一臺(tái)通用編程量子計(jì)算機(jī)在美國(guó)國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院誕生。 2010年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué) 家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。 2010年3月，德國(guó)