量子计算机研发必将推动物理技术和计算机技术发展

2023-11-15 理论教育版权反馈

【摘要】：然而，量子计算机的横空出世，使得RSA公共码的安全保密性岌岌可危。也就是说，利用量子计算机分解一个400位的大数仅仅需要不到1年的时间。我们现在还不能确定未来的量子计算机是什么样子，目前科学家们提出了几种方案。因此，量子计算机的研制和发展必定会对现代物理技术和计算机技术起巨大的推动作用。目前，世界许多国家都投入大量的人力和物力进行量子计算机的研究。

今天日新月异的计算机技术把我们带入了一个崭新的“信息时代”，并且给我们的工作和生活带来了翻天覆地的变化。那些发明计算机的先辈们大概没有料到，计算机会有一天能够成为人们生活中不可缺少的工具之一。同样，他们也难以想象计算机自诞生以来所发生的巨大变化。目前计算机的芯片布线密度已经达到0.18微米，而且计算机芯片的集成度以大约每18个月就提高1倍的速度指数增长（摩尔定律），所以计算机芯片的集成度在不久的将来就有望达到原子分子数量级。这样看来，计算机的速度和密度可以不断提高。然而量子力学告诉我们，在这样的微观领域内，量子效应会影响甚至完全破坏芯片的功能。

量子力学是近代自然科学最重要的成就之一。量子力学的观念同我们日常生活的经验有很大的不同。根据量子力学中的海森堡测不准原理，当位置（Δx）定得很准时，粒子的动量（ΔP）就不会定准。Δx·ΔP＝h／2π（h是常数），将海森堡测不准原理应用于计算机的芯片问题中，当密度很大时，Δx很小，ΔP就会很大，电子就不再被束缚，就会有量子干涉效应。这种量子干涉效应甚至会完全破坏芯片的功能。那么，是不是量子力学就一定是计算机技术的大敌呢？对于现有的计算机技术来说，量子力学确实是一个不可逾越的障碍。但是，如果应用量子力学的原理直接进行计算，不但可以越过量子力学的障碍，而且可以开辟新的计算机方向，从而“柳暗花明又一村”。

1982年，美国的R.Feynman提出将量子力学和计算机结合起来的可能性。接着在1985年，英国牛津大学的D.Deutsch进一步阐述了量子计算机的概念，并且初步证明了量子计算机可能比任何经典计算机具有更强大的功能。

可能很多人都知道，目前大量的金融交易是在一种叫作“RSA公开码”的密码技术掩护下进行的。如果想要破译这种密码，就涉及对大数分解质因子的问题。按照现有理论计算，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10亿年的时间，而人类的历史才不过几百万年。因此这种密码技术有很高的安全性。然而，量子计算机的横空出世，使得RSA公共码的安全保密性岌岌可危。1994年美国的P.E.Shor利用D.Deutsch计算机理论证明，一个N位大数的质因子分解只需要用N的多项式的时间，而不是以前所认为的N的指数次的时间。也就是说，利用量子计算机分解一个400位的大数仅仅需要不到1年的时间。

P.w.Shor的工作引起了科学家们的兴趣。1995年，美国科学家进一步证明了在搜索问题上量子计算机比经典计算机更优越。接着美国科学家又证明了量子计算机解任何问题都不比经典计算机差。随着量子计算机的发展，我们有理由相信，量子计算机一定会在更多的领域中体现出比经典计算机更强大的运算功能。(www.chuimin.cn)

最近，美国和英国已经在实验室里制造出了最简单的量子计算机。这种计算机与以往的计算机截然不同，与我们现在办公桌上“庞大的”计算机相比，它更像机器旁的咖啡杯。我们现在还不能确定未来的量子计算机是什么样子，目前科学家们提出了几种方案。第一种方案也就是前面提到的“咖啡杯”量子计算机，是核磁共振计算机；第二种方案是离子阱量子计算机；还有一种方案是硅基半导体量子计算机。为了获得最快的运算速度，未来的计算机可能要把经典计算机和量子计算机结合起来：经典计算机控制时钟序列，量子计算机控制运算部分。

无论采用哪一种方案，也不管未来的量子计算机到底会是什么样子，量子计算机的研制都需要把当今最前沿的微观物理技术，如激光、生活物理、单个原子探油与控制、半导体技术等和计算机技术结合起来。因此，量子计算机的研制和发展必定会对现代物理技术和计算机技术起巨大的推动作用。同时，由于量子计算机强大的模拟功能和运算能力，量子计算机的出现必然会使我们对量子力学理论和微观世界的本质具有更深刻的了解。

目前，世界许多国家都投入大量的人力和物力进行量子计算机的研究。量子计算机不但与未来计算机产业的发展紧密相关，更重要的是，它与国家机密、电子银行、军事等重要领域密切相关。量子计算机结合了20世纪许多最杰出的发现和成果，我们相信，它一定会成为21世纪最辉煌的成就之一。

量子计算机研发必将推动物理技术和计算机技术发展

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