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发信人: hailong (hi), 信区: Physics
标  题: 量子计算机专题讲座(二)(转寄)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年12月16日22:10:24 星期六), 转信

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【 原文由 duyan.bbs@smth.org 所发表 】
发信人: MythAge (神…如风…心), 信区: Science       
标  题: 量子计算机专题讲座(二)
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Dec 13 17:15:09 2000)

发信人: JPine (JPine), 信区: Physics
标  题: 量子计算机专题讲座(二)
发信站: 武汉白云黄鹤站 (Sun Nov 26 09:38:50 2000), 转信

　
量子计算机——了不起的量子计算机
　
一最“无能”的网络
　
来看看世界上最没有用的计算机网络：这位于加州理工学院的一幢教学楼内，总共中连
接了两台处理器，占据了地下室的整个走廊，向外传输着一成不变的信息。目前该网络
还没有运行，但纵然它真的运行起来，或许也只是向外传输一位信息。加州理工学院的
研究人员杰夫-金布尔说：“我们觉得，如果它能在新千年到来之前运行起来，就很不错
了。
金布尔实际上正设法建造世界上第一个量了计算机网络。从某种意义上说，他稍稍超前
了一点，因为世界上还没有任何人—— 包括他自己在内——能够接近制造出一如可实际
使用的量子计算机。所谓的量子计算机是指利用处于奇异的多现实态下的数据进行运算
的计算机——这种多现实态是量子力学的标志。这项研究在过去一两年里已经取得了一
些重要进展。例如，麻省理工学院物理学家内尔-盖尔森费尔德实际上已经制造了一台简
单的量子计算机。这台计算机做不了很多事情——它所能做的只是从一份包括4个名字的
名单中挑出一个名字，不过它做这件事的速度比传统计算机要快。
　
二量子“克隆”与寻找皮包
　
量子计算技术的好处究竟在哪里呢？想像你处在一个庞大的办公大楼里，你需要从大楼
的几百个办公室里找到被随机遗留在某张桌子上的一个公文包。你也许得走遍整个大楼
，打开一间又一间办公室的房门 ，寻找公文包。同样，普通计算机或多或少需要以串行
方式对“1”和“0”组成的长长的数据串进行运算处理，直到最后获得计算机结果。当
然，你也可以组织一个寻包小组，分别派人去不同楼层寻找，然后再把小组成员全部叫
回来，对寻找的结果进行比较，从而加速寻找公文包的速度。普通计算机也可以做这种
工作，具体的方法是把一项任务分解成若干个单元，并且利用几台处理器并行地进行各
单元的工作。不过，这种额外的协调和沟通需要很高的间接损耗。但是，如果不是新自
去找包，也不是指挥一个寻包小组去寻找，而是按大楼内房间的数目立即复制出相同数
目的你自己，你的所有这些副本可以同时查看所有的办公室，然后到最后——除了找到
公文包的那个副本外，你的其它所有副本将会消失，那样的话，情况将会如何？
这是量子计算机如何工作的一个例子。量子计算机将利用这样一个现象：在某些条件下
，原子世界的“居民”以多现实态存在——即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处和
彼处，可以同时表现出高速和低速，可以同时向上和向下运动。为什么会有这些现象呢
？甚至边物理学家都没有就此形成一致意见，然而过去70多年里进行的无数次实验已经
证实了这种奇异的现象。如果认为这些不同的原子状态分别代表不同的数字或其它类型
的数据，那么就可以利用一组具有不同潜在状态组合的原子，在同一时间对某一问题所
有可能的答案进行探寻。利用一些巧妙的手段，可以使代表正确答案的组合脱颖而出。

三“测不准”用途和手表装配
　
但是，量子计算机的前景并没有多大的保证。任何计算机如果不能通过编好的程序来执
行特定的任务，就无法派上大用场，而许多研究人员一直想要知道的是，量子计算机究
竟是否能够处理现事世界的计算问题——或者至少其运行速度是不是明显快于传统计算
机。
实际上大多数应用任务并不适合量子计算机。这是因为典型的计算任务，例如计算卫星
的轨道或旋转一个图形，需要应用以串行方式进行处理的计算机逻辑，即每一步处理取
决于上一步的结果。量子计算机无法加快这类任务的处理速度。举例来说，如果不是要
你寻找放在一房间里的公文包，而是要你用散落在所有房间里的元件组装成一只手表，
那么，拥有自己的多个副本并不是多大的优势。不管是由某人自己，还是由此人的1000
个副本来做这件事，都得有人走进每一个房间，取出手表元件，并且按照正确的次序、
每次一个地把每个元件安装到装配中的手表上。要实现所希望的结果——在这个例子中
是安装好手表——就需要每一个搜寻者完成自己的那部分工作：任何人的贡献都是必不
可少的。
适合量子计算机处理的任务，将会截然不同的另外一类问题。在解决这类问题时，只要
利用许多种可能的量子态组合中的一咱，就能找到与问题完全对应的答案。而其他的组
合——它们代表的都是错误的答案——则像物理学所说的那样，必须会“消失”在正确
的答案背后。这种有选择性的“消失”便是难点所在。毕竟，一个足够大的的量子计算
机总是可以通过程序编制，使其内部的多状态原子代表所有可能的答案。但是，如果没
有办法显示哪一种状态组合与正确的答案相对应，那么这一切又有何用？
物理学家已经设想出了选出所需结果的大致办法。这个办法的基础是原子所表现出的与
其说象粒子、倒不如说更像波的性质。就像海洋中的两个完全相同、但运动方向完全相
反波浪相遇时一样，根据相对排列情况，处于多重状态的原子或者互相抵消，或者互相
增强。
　
四大素数因子与加密解密
　
在世994年，美国电话电报公司研究人员彼得-肖尔发现了量子计算机可以处理的第一种
实际事务。数学上有一个较为辣手的问题是找出超大数字的素数因子。肖尔发现，这个
问题可以简化为测定某一复杂的数学序列在什么时候出现重复。肖尔认识到，测定重复
序列的工作可以由量子计算机来完成。理论上，一台具有5000个左右量子位的量子计算
机可以在大约30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。
眼下恰好有一项重要的用途适合这种貌似深奥的作业。通过对代表数据的代码进行加密
，计算机数据得到保护。而解密的数字“钥匙”是以十分巨大的数字——一般长达到50
位——及其素数因子的形式出现的。这样的加密被认为是无法破译的，因为没有一台传
统计算机能够在适当的时间里计算出如此巨大数字的素数因子。
但是，至少在理论上，量子计算机可以轻易地处理这些素数加密方案。因此，量子计算
机黑客将不仅能够轻而易举地获得常常出没于各种计算机网络（包括因特网）中的信用
卡号码及其他个信息，而且能够轻易获取政府及军方机密。这也正是某些奉行“宁为人
先、莫落人后“这一原则的政府机构一直在投入巨资进行量子计算机研究的原因。
　
五量子超级网格引擎
　
量子计算机将不大可能破坏因特网的完整性，不仅如此，它们到头来还可能给因特网带
来巨大的好处。两年前，贝尔实验室的研究人员洛夫格罗弗发现了用量子计算机处理我
们许多人的一种日常事务的方法——搜寻隐藏在浩如烟海的庞大数据库内的某项信息。
寻找数据库中的信息就像是在公文包里找东西一样。如果各不相同的量子位状态组合分
别检索数据库不同的部分，那么其中一种状态组合将会遭遇到所需要查找的信息。
格罗弗还设想了使代表正确答案的量子位状态组合脱颖而出的办法。打个不太恰当的比
方，这个办法依据这样的一个事实：表示“无公文包房间“的量子位状态——即没有发
现所需数据的量子位——相互之间颇为相似，而与表示正确答案的量子位状态有所不同
，这就如同“无公文包房间”相互之间的共性总是大于它们与遗留了公文包的那个房间
共性。由于它们之间的相似性，可以殷不适合的量子位叠加在一起，使之互相抵消，最
终剩下的便是代表正确答案的一组量子位。
由于某些技术的限制，量子搜索所能带来的速度提高并没有预计的那么大，例如，如果
要在1亿个地址中搜索某个地址，传统计算机需要进行大约5000万次尝试才能找到该地址
；而量子计算机则需要约1万次尝试，不过这已经是很大的改善了，如果数据库增大的话
，改善将会更大。此外，数据库搜索是一种十分基础的计算机任务，任何的改善都很可
能对大批的应用产生影响。
迄今为止，很少有研究人员愿意预言量子计算机是否将会得到更为广泛的应用。尽管如
此，总的趋势一直是喜人的。尽管许多物理学家——如果不是全部的话——一开始曾认
为量子力学扑朔迷离的本性必定会消除实用量子计算技术面临的难以捉摸而又热爱深蒂
固的障碍，但已经进行的深刻而广泛的理论研究却尚未能造就一台实实在在的机器。
那么，量子计算机的厂家热潮到底意味着什么？计算技的历史表明，总是先有硬件和软
件的突破，然后才出现需要由它们解决的问题。或许，到我们需要检索那些用普通计算
机耗数月才能查完的庞大数据库时，量子计算机才将会真正开始投入运行。 

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    很多人说，现代物理学家在周一、周三、周五是量子物理学家，而在周二、
周四、周六又成了引力相对论者，星期天的时候，这个物理学家什么也不是，他
向他的上帝祈祷，祈祷有人，最好是他自己，能够找到这两种观点的一致性。


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