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科学界的新宠“量子计算机”,正伴随着摩尔定律的挽歌,蹒跚着向人们走来.

4月30日,外媒报道称,IBM已完成四量子位原型电路的研发,为推出真正量子计算机奠定基础.这是IBM去年5月宣布未来五年将投入30亿美元研发新一代半导体后的首次成果展示.

今年3月,谷歌也推出了自己的量子电路,并声称量子计算机的运算能力将超过普通计算机数万倍.

随着IT巨头纷纷发布量子计算研究成果,素来低调的量子计算机突然成为热门话题.但从已面世的量子计算机来看,不论其应用面还是单价效率,相比传统计算机都还存在差距.

这种烧钱的大块头什么时候能终结摩尔定律,并“塌缩”成我们手中的智能手机,依然是个未知数.

理论遐想

如人类学会生火一般,量子力学理论作为20世纪人类最伟大的发现,对当今世界产生了深远的影响.从核弹到电子显微镜,在支配量子理论基础上,人类创造出众多跨时代的产品.

量子计算机的构想,正是基于量子力学理论的叠加态原理而设计的.

量子计算机的理念,最早是1982年由诺贝尔奖获得者美国物理学家费曼在一次学术会议上提出.费曼的设想则是受到其好友――加州理工学院计算机教授弗雷德金的启发.当时,弗雷德金正从数理上研究一种新型处理器.

传统处理器的逻辑门（集成电路最基本的运算组件）不可逆,而弗雷德金构想的新型处理器逻辑门是可逆的,这样的好处就如同将单向车道丁字路口改为双向车道十字路口,使得信息可在线路上掉头,不必绕远.

对于传统处理器来说,“绕远”就是将电路上的信号擦除,载入新的逻辑信号.这个过程将耗费大量的能量并发热.在极高的运行速度下,处理器会因高温融化.

另外,因为量子计算机处理的量子信息是一种叠加态,而非传统计算机的0和1二进制.这就使得量子计算机在进行逻辑运算时,可一次得到多种甚至全部的运算结果.

这就相当于将高速路上的小轿车全部替换为双层巴士,极大提高了运算量.科学家们由此推论,采用新逻辑门的量子处理器优势显而易见,它比传统处理器能耗更低且速度更快.

但此时的量子计算机理论并没引起关注,因为不论从量子物理学角度还是计算机应用方面来看,量子计算机的实现过程都极其困难.

而著名的摩尔定律此时已然在科技界生效,简单、可靠的实现方法,让晶体管以百万计的超大规模集成电路形态,顺着电脑流水线进入企业和家庭,且价格越发低廉.而直到1988年费曼去世,量子计算机依旧停留在物理学家的脑海中.

机遇与争议

真正激发起人们对量子计算机的热情,源自1994年舒尔提出的量子算法.

20世纪末随着计算机和网络的普及,通信安全也成为棘手问题.而基于大素数乘积原理的RSA算法因为运算量大,难以被破解,被普遍应用于信息加密.

有盾就有矛.在贝尔实验室工作的舒尔,依据自己的算法提出用量子计算机可快速破解RSA密码.舒尔推论,当时需1000台计算机8个月才能破解的129比特位RSA密钥,一台量子计算机不到10秒就能破解.

问题在于,此时的量子计算机虽然算法理论储备丰富,但工程学上怎么才能造出一台量子计算机,仍是个难题.

直到1999年,研发实际应用量子计算机的加拿大D-WAVE公司成立,造出一台量子计算机的想法,才得以实现.

为什么要写量子计算机论文
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因量子计算机在密码破解上的优势理论,D-WAVE公司得到了美国中情局的支持.2011年,D-WAVE公司与洛克希德马丁公司以签署合作协议的形式,售出了世界上第一台商用量子计算机.该量子计算机售价被披露高达1000万美元.2013年,D-WAVE公司又将第二台量子计算机卖给了美国航空航天局与谷歌的联合实验室.

D-WAVE公司的两次交易均获成功,量子计算机实用化的大门似乎已向人们敞开.但对于量子计算机的争论,也由此不断出现.

虽然D-WAVE公司声称,其量子计算机比传统计算机的运算速度大约快3.55万倍.但很多研究团队在考察过后表示,D-WAVE公司的量子计算机只有5倍于传统电脑的运算速度,在某些情况下其速度甚至只有1/100.

另外,D-WAVE公司使用的模拟运算算法,也被指责不是真正意义上的量子计算机.

只是一小步

虽然质疑声不断,但科学界还是给予D-WAVE公司的量子计算机部分肯定.毕竟它应用了量子原理来进行运算和储存,并使得量子计算机能从实验室走出来,跟传统电脑就某一领域就行比武.

但即便如此,量子计算机还是个造价昂贵的“计算器”.购买同等计算能力,量子计算机用户恐怕要多付出6000倍的价格.要终结行将失效的摩尔定律,量子计算机的产业化之路还有很长要走.

50年前,英特尔创始人之一戈登摩尔在美国微电子杂志发表文章时预言,每过一年芯片单位面积上的晶体管数量和性能将会翻倍.

到1975年,摩尔发现一年太短,表示两年才能翻倍.如今需要的时间更长,量产芯片的关键尺寸从28纳米降到14纳米的过程,即便两年也难以完成.

IBM研究中心主管苏普拉蒂克

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与摩尔定律相伴的,还有一条洛克定理.洛克曾为摩尔当过财务顾问.在他看来,为提高半导体芯片晶体管的集成度.半导体工厂的投建费用,要以每四年翻一倍的速度增加.

如今,一条28纳米芯片生产线的投建费用已高达上百亿美元.这使得芯片制造成为国际化产业,因为已没有公司能一家独立承担起从设备研发到芯片制造的费用,甚至因人才、产业链等限制,一个地区都难以做到通吃.

人们当然愿意看到传统计算机之外的新兴计算机产业发展.但量子计算机目前的成就,只能说是迈出了一小步.

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