诺贝尔奖垂青量子物理量子计算机挣脱摩尔定律紧箍咒

时间：2022-03-18 09:45:06 浏览次数：次

10月9日，瑞典皇家科学院会议厅，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克宣布将2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）和美国物理学家戴维·瓦恩兰（David J. Wineland）。随后，诺尔马克阐述了“f突破性的实验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”的获奖理由。他们的科学成果不仅开启了量子物理新时代的大门，同时也预示着速度超快超可靠的量子计算机的创造之路迈出了第一步。

自1982年理查德·费曼（Richard Feynman）提出“量子计算机”的概念之后，人们对它颇为关注，众多研究机构更是试图借此开辟计算机时代的新纪元。但是，任凭人们千呼万唤、前赴后继，都没能够彻底揭开量子计算机的面纱。那么，量子计算机到底发展到了什么样的阶段？遇到了什么障碍？此次诺贝尔奖会对量子计算机的研发起到什么推动作用？量子计算机一旦面世，随之而来的会是什么？

量子计算机是大势所趋

所谓量子计算机，简单来说就是利用量子携带信息、存储数据，遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。我们熟知的传统计算机的“心脏”依赖的是硅芯片，但是一个芯片的面积总是有限的。

硅晶体管作为在芯片上传输信息、处理信息的微型开关，每年都在缩小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸缩小（现已达到纳米级）将限制性能的提升。所以，对晶体管进行传统的尺寸的扩展和收缩操作，不能再产生行业已经习惯的更低功耗、更低成本、更高速度的处理器的效果。虽然英特尔的22纳米处理器已经面世，还计划于2013年推出14纳米处理器，对于10nm、7nm以及5nm的制程研发路线图也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的负10次方米以下，就会明显出现量子特性，所以大部分物理学家坚持认为，摩尔定律不可能无限维持。

为了突破这道瓶颈，

IBM一直致力于研发碳纳米管芯片，其研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，从而能够获得比硅质器件更快的运行速度。IBM声称这一成果有望让摩尔定律在下一个十年中继续生效。但是，如何获得高纯度的碳、如何实现完美的制造工艺又是不可避免的问题。

因为量子计算机是利用量子携带信息的，所以，传统计算机面临的挑战恰恰是量子计算机的优势所在。量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定，根据量子力学原理，粒子的量子状态是不同量子状态的叠加。所以，量子计算机计算时采用的量子比特在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，传统计算机在运算中采用的传统比特在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这就是量子计算机与传统计算机最大的不同之处。由于量子叠加状态的不确定性，量子计算可以同时进行大量运算，它的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。所以，量子计算机是大势所趋。

实现方案众多

量子计算机以其独特的运算逻辑和强大的运算性能吸引了无数研究机构和科学家对其进行研究，也相继取得了一些成果。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，所以研制量子计算机，关键在于成功操控单个量子。相信大家一定对“薛定谔的猫”这一理论并不陌生，关在密闭笼子里的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是活着还是死亡。所以，处于宏观世界的我们如何才能够有效操控微观世界的粒子，是极大的难题。从理论上讲，量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

阿罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作；瓦恩兰的团队则利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现了单个离子的囚禁；IBM的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，依赖耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展，意欲基于微电子制造技术实现量子计算；美国普林斯顿大学物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大学圣巴巴拉分校的科学家利用电子的自旋特性，寻找到了操控电子的方法；利用声波和超导材料，也可以实现量子计算机的拓展；总部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银，柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而这正可以用来实现量子计算。

众多方法中，最值得一提的便是阿罗什和瓦恩兰的做法。阿罗什构造了一个腔，把单个光子囚禁在光腔里，实现量子的操控，再往腔里放入单个原子，使原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控它们的状态。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球，而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而且单个粒子在实验过程中还能保持量子的物理性质。

中国科学院院士郭光灿这样评价阿罗什和瓦恩兰的成就：量子计算这个领域已经取得了飞速发展，现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个离子，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的，此外，还会有各种各样的腔，比如光学腔、物体腔和超导腔等。现在做量子计算机，实际上就是做芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这一步能实现，量子计算机有希望在这方面实现实质性突破。

过程艰难但前景乐观

自“量子计算机”的概念提出到现在的30年间，科学家们纷纷涉足，不管是在理论方面，还是实践方面，都取得了一些不可忽视的成就。

近几年来，量子计算机的领域更是全面开花，量子计算机不再是人们“只闻其名，不见其形”的概念型产品。英国布里斯托尔大学等机构以奥布赖恩为领导的研究人员更是在新一期美国《科学》杂志上宣布，成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片。奥布赖恩表示，利用这种芯片技术，10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

想要研制出实用的量子计算机，需要面临科学技术方面的多重挑战，其中最主要的两大障碍就是：如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性；如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。阿罗什和瓦恩兰给出的实验方法均成功地打破了这些障碍，实现了基础性的突破。近几年来，研究人员以他们的研究成果为出发点，不断探索，取得了快速进展，可谓前景乐观。

需要注意的是，量子计算机的出现会将网络安全置于非常危险的境地，给现有的社会和经济体系以及国防带来潜在威胁。目前大部分的网络保密是使用“RSA公开码”的密码技术。想要破译这种密码，就要对大数分解质因子，这是极其困难的。按照现有的理论计算，分解一个400位数的质因子，用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。然而，量子计算机能够借助其强大的运算功能瞬间完成密码破译，这严重动摇了RSA公共码的安全性。

目前，量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具，娱乐价值似乎更高一些，但是在不久的将来，它一定能够引领计算机世界的潮流。