量子位：并行計算

在洛克希德·馬丁公司之后，Google和美國航空航天局（NASA）也向加拿大公司D-Wave訂購了一臺量子計算機。而對于量子計算機的商用，世界各地擔心和懷疑的聲音接踵而來，人們普遍關注的一個事實是，這樣的一臺機器可以破解所有目前流行的加密編碼。量子計算機基于量子物理學原理，在這個復雜難懂的原子世界，各種觀念往往有悖于我們的日常生活經(jīng)驗。量子計算機中信息的最小單位被稱為量子位（quantum bit），它有別于傳統(tǒng)計算機信息的最小單位，量子位可以是“0”和“1”皆有一定概率比例的疊加狀態(tài)。因而，與傳統(tǒng)的計算機相比，量子計算機能夠處理的數(shù)據(jù)量更大。只需250量子位，其所包含的數(shù)據(jù)量就已經(jīng)比宇宙中所有原子的數(shù)量還要多，而D-Wave公司最新的機器據(jù)稱有512個量子位。

早在90年代，美國信息科學家洛夫·格羅弗和彼得·肖爾就已經(jīng)從理論上證明，量子計算機可以比傳統(tǒng)計算機更有效地搜索大型數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行長數(shù)字的質(zhì)因數(shù)分解。這也意味著量子計算機可以更迅速地破解AES和RSA加密算法，這是一件非?？植赖氖虑?，因為目前數(shù)據(jù)保護主要依賴于這些算法。雖然同樣通過量子位工作的量子密碼已經(jīng)成為一種商業(yè)解決方案，但是它只能夠確保密鑰交換的安全。

極其嚴格的要求

另一方面，也有一些持懷疑態(tài)度的聲音，懷疑D-Wave所謂的量子計算機是否是真正意義上的量子計算機。多年以來，世界各國的科學家一直不懈努力地研發(fā)量子計算裝置，但都沒能夠走出實驗室階段，沒有獲得太多實質(zhì)性的進展。這是因為對于量子計算機的要求是極其嚴格的。首先，需要通過原子粒子的性質(zhì)來制備量子位，這是量子現(xiàn)象發(fā)生的必要要求；其次，該系統(tǒng)必須從環(huán)境中隔離并冷卻到幾乎絕對零度，因為量子現(xiàn)象會受到外部影響；其三，人們必須謹慎地從外部進行干預，并分配單個量子位的初始值，觸發(fā)量子力學的“糾纏”進行所需的算術運算；其四，讀取結(jié)果。

到目前為止，研究人員利用單個離子或光子、原子核自旋的原子或者超導電子對作為量子位，這些已經(jīng)超出了平常人的想象。而按照D-Wave的記錄，他們2011年在因斯布魯克大學通過鈣離子取得14量子位的糾纏鏈，并于2012年在布里斯托爾大學成功分解數(shù)字21的質(zhì)因數(shù)3和7，這些都是很普通的成功，是什么讓D-Wave那么的與眾不同？物理學界許多對D-Wave的量子計算機持懷疑態(tài)度的人猜測，D-Wave公司那個所謂量子計算機的龐大黑盒子，所使用的量子位實際上是微芯片上的超導環(huán)，通過傳統(tǒng)的電子設備進行控制和讀取。因此，批評者們質(zhì)疑這個系統(tǒng)量子位之間有沒有量子糾纏效應，或者說計算機是否真正利用量子糾纏效應進行計算，懷疑這只是一臺普通的計算機。

應用范圍有限

除了在生產(chǎn)技術上的優(yōu)勢以外，D-Wave的秘密還在于它的計算機概念。它被用于編程求解所謂的“旅行商問題”（給出城市的名單和每對城市之間的距離，要求給出訪問每個城市一次并返回到起點城市的最短路線），D-Wave的系統(tǒng)能夠根據(jù)物理“能量最低原理”逐漸進入并給出最佳的解決方案。量子計算機的結(jié)果需要通過電子設備來讀取，這是量子計算機面臨的另一個問題：既然量子位包含一定概率的“0”和“1”，那么也只是有一定的概率獲得正確的結(jié)果，因此需要重復足夠多次數(shù)的計算，以達到統(tǒng)計學上可接受的確定性。

量子計算機的巨大潛力在于它的計算速度，因為它可以進行并行計算。但是量子計算機在信息學規(guī)則的框架內(nèi)并不能夠揭示什么新的問題，它們只是能夠更快地解決一些存在的問題，特別是在具有大量可能性的問題上“猜”出一個正確的可能性。而對于傳統(tǒng)計算機而言，由于這一類問題需要處理的數(shù)據(jù)量太大，所以根本無法應付。這也是格羅弗和肖爾的算法可以解答“旅行商問題”的原因，所有同一復雜性類并彼此相關的問題，使用量子計算機可以得到很好的解決，因而，對于目前所采用的加密方法來說，它是非常危險的。

事實上，當涉及到實際的數(shù)據(jù)處理時，例如視頻編碼或者運行3D游戲，量子計算機并不會有任何速度上的優(yōu)勢。因此，對于Google為什么需要量子計算機，或者量子計算機能夠給Google帶來什么樣的幫助，這個問題目前仍然是一個謎。