电子计算机是二十世纪最伟大的发明之一1

电子计算机是二十世纪最伟大的发明之一,也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。我们很难想象当今生活中如果没有电子计算机,如今的社会会是什么样子。电子计算机的发展自二十世纪80年代苹果电脑公司的商业推广进入产业时代。二十世纪九十年代初期,微软公司的崛起宣布个人电脑产业黄金时期的到来,而1999年64位的微处理器已经问世,所发挥的计算能力为16位微处理器的280万亿倍比尔�盖茨(BillGates)声称64千字节内存足够个人电脑使用，而2007年个人电脑的最低内存配置为53248千字节。这一切都表明,电子计算机产业正以前所未有的速度飞速发展在电子计算机和信息技术高速发展过程中,因特尔公司的创始人之一戈登�摩尔(GodonMoore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言:半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明,自二十世纪60年代以后的数十年内,芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番,这种奇迹般的发展速率被公认为摩尔定律然而根据该定律计算,到二十一世纪三十年代,芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度。此时,导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律从而导致芯片无法正常工作;同样,芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5-10纳米)后,晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。1900年，普朗克在德国物理学会上提出了黑体辐射公式，同年，普朗克发表了对黑体辐射公式的理论推导，构成了量子论的基础。在量子力学的发展过程中,一直充满着激烈的争论。1930年,从Einstein提出一个假想实验所得到的结论“量子力学是不自洽的”开始,就和Bohr进行争论一直到1935年结束。与此同时,Schrodinger提出了“猫”佯谬。1934年,Einstein等反驳量子力学正统诠释而提出了著名的EPR佯谬,佯谬中指出了纠缠态所展现的非定域关联的奇特性质,并由此而引出了大量的对“隐变量理论”的研究。1965年，Bell发现基于Einstein观点的“隐变量理论”可以用实验检验,其判据被称为Bell不等式。随后,这个问题又成为了热门话题,研究工作又进入了空前的兴旺。之后进行了许多验证不等式的实验,同时证明了量子力学的预言是正确的,这时人们才开始把纠缠这一非经典特性应用到信息论中去。费曼(RichardP.Feynman)曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。那么运用量子力学原理来运行计算机，是不是就可以获得远远超出传统计算机的运算速度呢？他相信这是可以的，于是就产生了量子计算的想法。在此基础上，1985年，英国牛津大学的D.Deutsch初步阐述了量子图灵机的概念，并且指出了量子图灵机可能比经典图灵机具有更强大的功能。具体实现的情况是这样的：在经典信息处理过程中，刻画信息的二进制经典比特（Bit）由经典状态(如电压的高低)1和0表示。对于量子信息而言,由于微观世界中量子效应会鲜明地凸现出来,经典比特状态的1和0必须由两个量子态|1和|0来取代；处于这样两种不同状态之上的粒子就是量子信息的基本存储单元—量子比特（Qubit）。任意两态量子体系都可成为量子信息的载体，如二能级原子、分子或离子，光子偏振态或其它等效的自旋1／2的粒子。为了在真实的物理体系中实现量子计算机的功能，人们对相应物理系统的性质和人的操控能力提出如下要求：（1）系统的基本单元是一个两能级的量子体系（英文简称qubit）；（2）系统能够进行初态制备，即对每一个qubit归零；（3）系统具备实施任意的幺正操作的能力。（4）能够对量子计算机幺正演化的终态实施有效的量子测量；（5）该系统应有长的相干时间，具体而言，就是在幺正演化和测量阶段，系统相干性一直能够保持。以上要求是由IBM的科学家迪文森佐（DiVincenzo）提出的，称为迪文森佐判据。理论上，任何真正意义上的量子计算机都需要满足该判据。速度究竟有多快呢？有搜索和大数分解两个著名的例子。计算机在搜索藏在有n个对象的数据库中的一个特定的对象时，经典的搜索过程要比较每一个对象,平均说来需要进行n／2次尝试才有较大的可能找到那个对象。经典搜索的一个日常生活的例子是在一个按人名索引的、共有Ｎ个人的电话簿里，找到确定号码的人，通常要找Ｏ（Ｎ）次才能成功。Grover把它换成量子力学问题就是：对于Ｎ个态的均匀相干叠加，通过若干次基本的么正变换可以把其中一个特定分量的几率放大为１。令人惊讶的是,Grover的量子搜索可以通过大约根号N^(1/2)次尝试就找出所需的对象。如果用１，２，３，…直到x^(1/2)去试除ｘ，经典计算过程通过约x^(1/2)步运算，可以最后找到ｘ的全部素数因子。显然，计算的步数与这个大数的位数呈指数增长关系。当然还有一些改进的算法，但现在还不能改变指数增长的趋势。因此，随着ｎ变大，步数将是一个天文数字。然而，令人吃惊的是，美国电报电话公司的PeterW.Shor在1995年写下了一个量子算法，使得完成一个n位大数的因子分解所用的计算步数只是n的多项式函数，而不是n的指数函数。这个被称为“Shor大数因子化”的量子算法，充分发挥了量子并行性的强大作用，原则上可以在一年左右的时间内分解一个400位大数。这是目前用经典计算机无法完成的，因为计算时间远超过宇宙年龄。。实验研究主要集中在两个方向：（1）固态量子计算：包括超导系统、量子点系统等；（2）基于量子光学的量子计算，包括离子阱、腔QED1系统、线性光学系统、光子晶体和光学晶格束缚冷原子体系等。两个方向各有优点：固态量子计算系统的物理可集成性较好，如果能够很好地制备和操控几个量子比特，理论上可以制备更多的量子比特，从而实现复杂的量子算法。而基于量子光学的量子计算系统体系的量子相干性较好，较易实现单qubit和两qubit的幺正变换。人们在将量子物理和信息论结合起来研究时还产生了量子通信的想法隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。遗憾的是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传物只不过是种幻想而已。1993年美国物理学家贝尼特等人提出了量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。量子纠缠是量子信息学中最重要也是最为奇特的一个课题。在量子信息学中，量子信息的处理离不开量子态及其操纵，而量子纠缠态毫无疑问是各种各样的量子态中最重要的一种。由于现有的加密系统大多是建立在大数难于分解的基础之上，Shor的发现有可能使现在所用的大部分复杂加密方案失效，从而在金融和国防的保密方面产生了极大的影响。费曼曾告诉他的学生,使用量子计算机时,不需要考虑计算是如何实现的,即把计算看作由神或上帝来实现的:这类计算在量子计算中被称为神谕(Oracle)!或者黑箱!。1995年有其他人演示了量子计算在冷却离子系统中实现的可能性，量子计算机的研究才变成物理学家、计算机专家和数学家共同关心的交叉领域研究课题。