若干年後，量子計算機將對你的生活產生什麼樣天馬行空的影響？

從活捉粒子看

量子：在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的單位就叫做量子。

2030 年 4 月 10 日清晨，美國基因臨床醫學家沙朗·奧亞在自己位於芝加哥市郊公寓的精心呵護下早早醒來。一整夜，床頭櫃中的精確感測器都在監測她的呼吸、心律和大腦活動。

盥洗室的水池已經分析過了她昨晚留下的一小滴血樣，了解自由基和癌前期細胞的情況。今晚，就會有一批合適的預防藥物送到她在亞特蘭大的旅館。這是一項昂貴的服務，都是量子計算機的傑作，但作為一名科學家，時時了解自己的健康狀態，奧亞認為是值得的。

她走進淋浴間，裡面的瓷磚探測到她的出現，首先向她道賀：「生日快樂！」沙朗笑了，今天也是她 30 歲生日。巧的是，今天也是第一台量子計算機問世 20 周年紀念日。不過，她對量子位（最小的量子信息單位）誕生前的世界知之甚少。

早餐後她穿戴整齊，選了一頂時髦的卷邊草帽戴在頭上。量子計算技術使服飾行業出現了出人意料的復興：在帽沿周圍的緞帶里，是沙朗的通訊中心和智能助理，它們已經瀏覽過她昨晚收到的 50 萬封電子郵件，並進行了分類。等她走到汽車前時，這個系統已經在她的大腦視覺皮層上播放了最重要的 10 封郵件和她的行程表。所有的文字都從她的視野上方向下滾動，直至在底端消失。

她的這輛氫燃料汽車知道今天會是一個反常的溫暖天氣。實際上，因為有了量子計算機的模擬系統，它5年前就已經知道今天的天氣了，汽車還會把天氣信息自上而下地滾動顯示給她看。沙朗開車上了高速公路，拐進智能道，疾馳而去。帽帶里的智能系統為她放映父母發來的生日錄像和老闆發來的經過高級加密的備忘錄。

機場沒有檢票口或警戒線。沙朗只需要通過一扇旋轉門，它會檢查她是否攜帶了危險品，核對她的身份，確認機位預訂情況，然後將登機牌交給她，整個過程只需要一秒鐘。她甚至不用費事去查看飛機是否準時，因為航班的模式就像天氣一樣可以計算，該機場5年來還沒有延誤過一次起飛。

在行李託運處，她看到一個熟悉的男子，頭上戴著一頂酷似猶太人的圓頂小帽般的智能帽。沙朗帽子上的緞帶已經開始工作了，閃出他的虛擬名片，旁邊是從谷歌搜索到的關於他的前 10 條記錄。「霍頓醫生，」她喊道，「真高興再見到你！」霍頓醫生的眼睛輕輕閃爍了幾下，只有這個細節泄露了他也在搜索沙朗的詳細資料。「你好，奧亞小姐，」他說，「祝你今天過得開心。」沙朗露出燦爛的笑容，心裡默默地感謝那位量子計算機的創造者。

以上描述顯然還是科幻小品里的情景，但人造衛星、登月計劃以及最原始的微處理器也曾經都是科幻小說中才有的東西。然而，對於處於量子計算技術領域前沿的科學家來說，上面的情景還是比較保守的預測。「真正的計算技術時代甚至還沒開始，」全球電腦商巨頭惠普公司的科研專家斯坦·威廉斯說，「我們現在擁有的只不過是一些小玩具，比算盤高明不到哪兒去。我們面臨的挑戰是儘可能接近物理學的基本定律。」

1900年，諾貝爾物理學獎的獲得者、德國物理學家馬克斯·普朗克在對熱輻射的研究中第一個窺見了量子。

這一年的12月14日，普朗克宣布了他的偉大發現——能量量子化假說。根據這一假說，在光波的發射和吸收過程中，發射體和吸收體的能量變化是不連續的，能量值只能取某個最小能量元的整數倍，這一最小能量元被稱為「能量子」。普朗克的能量子概念第一次向人們揭示了微觀自然過程的非連續本性，或稱為量子本性。

1905年，德裔美國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出了光量子假說，進一步發展了量子概念。

愛因斯坦認為，能量子概念不只是在光波的發射和吸收時才有意義，光波本身就是由一個個不連續的、不可分割的能量量子組成的。利用這一假說，愛因斯坦成功地解釋了光電效應等實驗現象。光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性，即光不僅具有波動性，同時也具有粒子性。

1913年，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼進一步發現了原子系統的量子特性，把量子概念成功地應用於氫原子系統，並根據盧瑟福的核型原子模型創立了玻爾原子理論。

這一理論指出，原子中的電子只能存在於具有分立能量的定態上，並且電子在不同能量定態之間的躍遷本質上是非連續的。

1924年，法國著名理論物理學家路易·維克多·德布羅意在愛因斯坦光量子概念的啟發下，提出了物質波假說，

最終將光所具有的波粒二象性賦予了所有物質粒子，從而指出了自然界中的所有物質都具有波粒二象性，或稱為量子特性。德布羅意的物質波概念為人們發現量子的規律提供了最重要的理論基礎。

正是這種非連續運動導致了原子系統分立能級的存在，正是這種非連續運動導致了光波的粒子性表現，因而成功地解釋了光電效應。這種非連續運動還導致了原子系統的穩定存在，而原子的穩定性在當時仍是一個謎，因為連續運動的概念無法解釋這一現象。

人們將量子的發現稱為人類科學和思想領域中的一場偉大的革命，因為它會讓所有第一次試圖接近它的人感到從未有過的心靈震撼。現代人所缺少的正是這種真正的心靈震撼，他們太沉迷於感性的快樂，而忽視了理性的清新魅力。

6年前，量子計算機已顯示出其獨特的功能，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量，這一突破性進展可提升分子系統模擬的準確性，拉開了量子計算在化學領域實際應用的序幕。

研究人員使用了2個糾纏的光子編碼信息對氫分子系統進行了模擬。每個光子計算出的能量級別可達20比特的準確度，能讓氫分子的幾何態清晰可見，大大超出了傳統計算機的能力範圍。

目前的超級計算機僅能對簡單的分子系統進行粗略的模擬，隨著原子數量以及分子系統複雜程度的增加，計算時間也將呈指數級增長。

而量子計算機則具有解決這一問題的巨大潛力。量子計算機摒棄二進位，而採用量子比特存儲信息，量子比特可以同時表達二進位中的「0」和「1」。因此，在存儲更多信息的同時也大大縮減了計算時間，從而可以對化學分子系統進行準確、快速的模擬。

長期以來，對於很多理論化學家來說，最大的困擾便是如何能準確地對化學分子系統進行模擬。這一快速計算方式開闢了準確模擬複雜分子系統的新途徑，而且量子計算不僅在化學實際應用中得到突破，也將應用於密碼學和材料科學等領域，並有望實現對能量構成極低的膽固醇等複雜分子系統的計算和模擬。

3年前，美國國家標準與技術研究所的專家利用現有的電子工業技術，製造出一種平面結構的離子陷阱，使得離子陷阱製造規模迅速擴大成為可能。 該研究所資深專家菲爾茲·鮑姆拉教授說，該技術有望用於大規模製造量子計算機的基本元件——量子比特，加快量子計算機研製過程。

美國研究人員成功地使金制棒狀電極平行排列在硅晶元的一個平面上，再利用照相平版印刷術將相關的電路蝕刻到這個平面上。研究人員說，這樣就可以非常簡單地製作大量同樣的產品，眾多離子陷阱可以被串聯起來，形成量子晶元。

傳統計算機用電位高低表示0和1進行運算，量子計算機則用粒子的量子力學狀態，如原子的自旋等表示0和1，稱為「量子比特」。離子陷阱是目前實現量子比特的最佳手段，其做法是利用電極產生電場，把經過超冷處理的離子「囚禁」在電場里。

在以往的研究中，人們通常要把電極搭建成立體的籠狀結構，才能成功地捕獲並囚禁離子。這種立體離子陷阱難以相互連接，而真正實現量子運算需要許多量子比特協同工作。於是，研究人員決定另闢蹊徑，開創性地運用平面離子陷阱捕捉離子。

然而專家也指出，雖然他們已經成功地用平面離子陷阱捕捉了12個鎂離子，但這種離子不太適合激光操作。用激光改變數子比特的狀態是進行量子運算的基礎，因此研究人員現在面臨的首要問題是，確保平面離子陷阱可以捕捉更適用於量子計算機的離子。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處於0和1兩種相反的狀態，也就是不確定的「超態」。這種特性使量子計算機可以同時進行大量運算，比傳統計算機要快得多。

雖然分子、光子和量子計算機的研究還處在實驗初期階段。但由於它們具有很高的應用價值，美國、日本以及歐洲的一些政府一直投入巨資資助相關研究。

2000年，IBM公司聲稱研製成功了5個量子位（比特）的量子計算機，在國際上引起轟動。2003年10月，日本電氣公司基礎研究所的研究小組用氧化鋁製成了1/500毫米大小的電路，在近於絕對零度（零下273℃）的極低溫條件下，控制處於超導狀態的電子量子，成功完成了預定運算程序。

2005年12月，日本產業技術綜合研究所開發出一種固態量子計算機光控新裝置，它具備多「量子位」的處理能力。現有的量子計算機模型主要可分為兩類，一類是利用原子陷阱、離子陷阱等俘獲光子、原子等以實現「量子位」的非固態量子計算機；另一類則是採用半導體、超導體等元件的固態量子計算機。由於非固態量子計算機有「量子位」數存在極限的問題，近年來圍繞固態量子計算機的研究漸趨活躍。日本產業技術綜合研究所的研究人員首先將2個所謂的「量子點」在砷化鎵層上近距離排列，形成複合「量子點」，然後將被俘獲到每個「量子點」中的激子都作為一個「量子位」，並在此基礎上製成具有2個「量子位」處理能力的裝置。研究人員說，該裝置複合「量子點」中的2個激子，其狀態都可以分別用光獨立控制。這種光控裝置不僅運算速度快，類似技術還可用於量子密碼研究領域。 新裝置的研製成功，意味著量子計算機研究又向前邁進了一步。