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????大腦修復(fù)術(shù)、心靈感應(yīng)、準(zhǔn)時(shí)的航班，這就是未來主義者眼中量子計(jì)算機(jī)給我們帶來的世界

????作者: Peter Schwartz, Rita Koselka

????2030 年 4 月 10 日清晨，她在自己位于芝加哥市郊的公寓的精心呵護(hù)下早早醒來。一整夜，床頭柜中的精確傳感器都在監(jiān)測(cè)她的呼吸、心律和大腦活動(dòng)。盥洗室的水池已經(jīng)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(xì)胞的情況；今晚，就會(huì)有一批合適的預(yù)防藥物送到她在亞特蘭大的旅館。這是一項(xiàng)昂貴的服務(wù)，但作為一名基因臨床醫(yī)學(xué)家，沙朗?奧亞（Sharon Oja）認(rèn)為是值得的。

????她走進(jìn)淋浴間。里面的瓷磚探測(cè)到她的出現(xiàn)，開始播放今天的頭條新聞: 載人登陸火星代表團(tuán)計(jì)劃提前出發(fā)。美國(guó)軍用無人駕駛飛機(jī)利用智能塵埃又摧毀了恐怖分子訓(xùn)練基地。曼哈頓的一名高級(jí)銀行家被裁定犯有欺詐罪，并被判處過 10 年低技術(shù)生活。另外，今天是第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)問世 20 周年紀(jì)念日。

????沙朗笑了。今天也是她 24 歲的生日。她對(duì)量子位（qubits）──最小的量子信息單位──誕生前的世界知之甚少。

????她穿戴整齊，選了一頂時(shí)髦的卷邊草帽戴在頭上。量子計(jì)算技術(shù)使服飾行業(yè)出現(xiàn)了出人意料的復(fù)興: 在帽沿周圍的緞帶里，是沙朗的通信中心和智能助理，它們已經(jīng)瀏覽過她昨晚收到的 50 萬封電子郵件，并進(jìn)行了分類。等她走到汽車前時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)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(dòng)，直到在底端消失。

????她的這輛本田牌（Honda）氫燃料汽車知道今天會(huì)是一個(gè)反常的溫暖天氣──實(shí)際上，因?yàn)橛辛肆孔佑?jì)算機(jī)的模擬系統(tǒng)，它五年前就已經(jīng)知道今天的天氣了，汽車還會(huì)把天氣信息自上而下地滾動(dòng)顯示給她看。沙朗開車上了高速公路，拐進(jìn)智能道（Smart Lane），疾駛而去。帽帶里的智能系統(tǒng)為她放映父母發(fā)來的生日錄像和老板發(fā)來的經(jīng)過高級(jí)加密的備忘錄。

????機(jī)場(chǎng)沒有檢票口或警戒線。沙朗只需要通過一扇旋轉(zhuǎn)門，它會(huì)檢查她是否攜帶了危險(xiǎn)品，核對(duì)她的身份，確認(rèn)機(jī)位預(yù)訂情況，然后將登機(jī)口的號(hào)碼交給她，整個(gè)過程只需要一秒鐘。她甚至不用費(fèi)事去查看飛機(jī)是否準(zhǔn)時(shí)──因?yàn)楹桨嗟哪Ｊ骄拖裉鞖庖粯涌梢杂?jì)算，O'Hare 機(jī)場(chǎng)五年來還沒有延誤過一次起飛。

????在行李托運(yùn)處，她看到一名熟悉的男子，頭上戴著像猶太人的圓頂小帽一樣的智能帽。沙朗帽子上的緞帶已經(jīng)開始工作了，閃出他的虛擬名片，旁邊是從谷歌（Google）搜索到的關(guān)于他的前 10 條記錄。“霍頓（Horton）醫(yī)生，”她喊道，“真高興再見到你。那次糖尿病會(huì)議怎么樣？”霍頓醫(yī)生的眼睛輕輕閃爍了幾下，只有這個(gè)細(xì)節(jié)泄露了他也在搜索沙朗的詳細(xì)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，心里默默地感謝那位量子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造者。

????這是科幻小說，對(duì)嗎？當(dāng)然──人造衛(wèi)星、登月計(jì)劃以及最原始的微處理器也都曾經(jīng)是科幻小說中才有的東西。然而，對(duì)于處于量子計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域前沿的科學(xué)家來說，上面的情景還是比較保守的預(yù)測(cè)。“真正的計(jì)算技術(shù)時(shí)代甚至還沒開始。”惠普公司（Hewlett-Packard）的科研專家斯坦?威廉斯（Stan Williams）說，“我們現(xiàn)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(zhàn)是盡可能接近物理學(xué)的基本定律。”

????傳統(tǒng)的計(jì)算技術(shù)以及它蝕刻在硅片上的微型電路到目前為止只能告訴我們: 摩爾定律（Moore's law）──同等空間所能容納的計(jì)算能力每 18 個(gè)月就會(huì)翻一番──到 2015 年將會(huì)遇到硅這種材料帶來的限制。（罪魁禍?zhǔn)资浅邷兀@是由通過集成更加緊密的電路的電荷造成的。）如果我們希望使計(jì)算機(jī)在那之后仍然能繼續(xù)發(fā)展，做到沙朗生活中那些神奇的事情，我們就必須解決如何處理量子領(lǐng)域中大傷腦筋的規(guī)則。就像《愛麗絲漫游仙境》（Alice in Wonderland）中的仙境一樣，量子世界里的亞原子微粒也能同時(shí)處于兩個(gè)地方。

????幸運(yùn)的是，某些世界領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)團(tuán)體正在從事這方面的研究。科學(xué)家們創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)單獨(dú)的電子，調(diào)整它們的自旋轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)掌握了亞原子電路。但是由于已取得的實(shí)質(zhì)性突破深藏在艱澀難懂的刊物之中，就連當(dāng)今最高明的計(jì)算機(jī)用戶也會(huì)感到頭疼，所以這些突破的重大意義很容易被人忽視。

????量子革命的確鑿證據(jù)在 7 月亮相市場(chǎng)，由摩托羅拉（Motorola）派生的新公司飛思卡爾半導(dǎo)體公司（Freescale Semiconductor）的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）芯片開始投入商業(yè)化生產(chǎn)。你第一次注意 MRAM，可能會(huì)是在你購(gòu)買了一架可瞬間存儲(chǔ)照片的數(shù)碼相機(jī)的時(shí)候。又過了幾年的功夫，便出現(xiàn)了可以像電燈一樣開啟的新型便攜式電腦。

????MRAM 的速度這么快，是因?yàn)橐环N所謂的巨磁阻效應(yīng)（gaint magnetoresistive effect，GMR）。雖然它聽起來好像電影《X 戰(zhàn)警》（X-Men）里的某種東西，但是如果你把幾張超薄磁膜在一起，讓它們相同的磁極相對(duì)，就會(huì)感到阻力，這里面就有 GMR 的作用。也就是說，電子會(huì)按照兩種不同的方向旋轉(zhuǎn)。電子會(huì)像陀螺或彈子球一樣在與磁場(chǎng)相對(duì)的某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。改變磁場(chǎng)的方向，電子的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)隨之改變。這個(gè)基本的量子效應(yīng)可以當(dāng)作二進(jìn)制比特，旋轉(zhuǎn)的方向可標(biāo)記為“0”或“1”，用來存儲(chǔ)數(shù)字信息。

????在傳統(tǒng)的計(jì)算技術(shù)中，這些 0 和 1 是通過接通和切斷電流來實(shí)現(xiàn)的。與電荷相比，旋轉(zhuǎn)受環(huán)境的影響較少，并且衰減的過程也更加緩慢。而且，要產(chǎn)生電荷，需要持續(xù)的電力；計(jì)算機(jī)斷電時(shí)，電荷也就沒有了。而使用磁性設(shè)備，存儲(chǔ)器在斷電時(shí)會(huì)保持不變。磁性設(shè)備還會(huì)給你帶來一項(xiàng)額外收獲──并且絕對(duì)是一項(xiàng)重大的收獲，如果這個(gè)系統(tǒng)中不需要電，也就不存在限制摩爾定律的高溫問題了。

????這項(xiàng)存儲(chǔ)器上的突破主要應(yīng)當(dāng)歸功于 DARPA，即國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署（Defense Advanced Research Projects Agency），也就是五角大樓里給我們帶來了互聯(lián)網(wǎng)的那群人。而且，尤其應(yīng)該歸功于 62 歲的物理學(xué)家斯圖爾特?沃爾夫（Stuart Wolf），他最近離開 DARPA 去了弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）。從 1993 年起，這個(gè)國(guó)防機(jī)構(gòu)已經(jīng)在沃爾夫創(chuàng)立的量子研究項(xiàng)目上投資 2 億美元以上。

????雖然 MRAM 僅僅是針對(duì)存儲(chǔ)功能的，但是控制計(jì)算設(shè)備的旋轉(zhuǎn)的能力──沃爾夫發(fā)明了“自旋電子學(xué)”（spintronics）這個(gè)詞來描述這項(xiàng)研究──具有重大意義。接下來的努力方向就是讓電子旋轉(zhuǎn)在實(shí)際的計(jì)算中發(fā)揮作用。在戴維 奧沙隆（David Awschalom）的帶領(lǐng)下，加州大學(xué)圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）的一支研究小組通過控制半導(dǎo)體和其他只有幾納米大小的材料中的電子旋轉(zhuǎn)，已經(jīng)在這個(gè)研究方向上取得了巨大進(jìn)展。這可能不僅意味著高溫帶來的困擾將會(huì)結(jié)束，還意味著有可能使計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到分子領(lǐng)域。有了分子水平的芯片，便攜式電腦的計(jì)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前萬億級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

????而且，就連分子水平的計(jì)算機(jī)也會(huì)很快成為落伍的龐然大物。2004 年，IBM 的丹?魯加爾（Dan Rugar）利用磁體控制了單電子的旋轉(zhuǎn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被美國(guó)物理學(xué)協(xié)會(huì)（American Institute of Physics）譽(yù)為當(dāng)年最重要的實(shí)驗(yàn)。在理論上，這意味著我們能制造亞原子水平的電路了。在這個(gè)水平上，粒子的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，并且能夠──同樣是在理論上──完成更具有挑戰(zhàn)性的工作。

????在亞原子水平的世界里，磁旋轉(zhuǎn)可能發(fā)生在上方、下方和中間的任何位置──并且完全在同一時(shí)間發(fā)生。這是量子力學(xué)中的一種奇怪現(xiàn)象，叫做加（superposition）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是電子有時(shí)候的運(yùn)動(dòng)更像是波，而不是粒子。你可以想象一根弦，兩端固定，不停震動(dòng)。如果你適當(dāng)?shù)乜刂普饎?dòng)，弦的一端會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，而另一端向下運(yùn)動(dòng)。而且它會(huì)像波一樣，同時(shí)取上下兩個(gè)極限之間的每一個(gè)值。

????在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)學(xué)中，每個(gè)比特都是 0 或 1。但是，如果一行原子中的每個(gè)電子都可以同時(shí)在兩個(gè)或兩個(gè)以上的位置出現(xiàn)，我們就可以利用這些位置進(jìn)行計(jì)算，指數(shù)的力量就會(huì)顯示出來。假設(shè)一個(gè)量子比特，即量子位，能夠同時(shí)代表兩個(gè)值，那么聯(lián)在一起的兩個(gè)量子位就可以同時(shí)表示四個(gè)值，三個(gè)量子位就能同時(shí)表示八個(gè)值，以此類推。20 個(gè)量子位能夠同時(shí)表示的值將接近 100 萬個(gè)（2 的 20 次方）。

????利用這種指數(shù)增長(zhǎng)的力量，你可以解決任何以指數(shù)形式擴(kuò)大的問題，而有很多非常重要的問題都屬于這種類型。目前，我們還不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天氣或交通狀況，也不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)病毒的變異情況，因?yàn)檫@些問題涉及的變量數(shù)以及變量之間可能存在的相互作用對(duì)于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)來說是一個(gè)天文數(shù)字。量子位將徹底改變這種情況。

????量子位可能帶來的另一項(xiàng)進(jìn)步，涉及到所謂的糾纏現(xiàn)象（entanglement）──也就是愛因斯坦所描述的著名的“幽靈式超距作用”（spooky action at a distance）。這是一種粒子間的親和性: 一旦兩個(gè)亞原子粒子糾纏在一起，就會(huì)以一致的步調(diào)運(yùn)動(dòng)，即使彼此相距甚遠(yuǎn)。利用這種能力，就可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通訊，因?yàn)橹灰鄹牧似渲械囊粋€(gè)粒子，與其配對(duì)的另一個(gè)粒子也就失去了的通訊價(jià)值。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)將能夠破譯目前使用的任何密碼技術(shù)。

????誠(chéng)然，從改變一個(gè)電子的旋轉(zhuǎn)到建立一個(gè)以此為基礎(chǔ)的電路，還需要經(jīng)過漫長(zhǎng)的努力，而且許多一度被認(rèn)為很有希望的技術(shù)都被一一淘汰了。英特爾公司（Intel）的首席執(zhí)行官歐德寧（Paul Otellini）始終對(duì)量子理論持懷疑態(tài)度，越來越不愿意為這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)項(xiàng)目提供資金。他說，有關(guān)硅原料將會(huì)銷聲匿跡的報(bào)導(dǎo)純屬夸大其詞。

????但是，量子計(jì)算科學(xué)家們卻非常自信。作為科學(xué)家來說，這樣的自信程度真是令人驚訝。加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的電子工程學(xué)教授伊萊?亞布魯諾維契（Eli Yablonovitch）說，“這是我一生中最激動(dòng)的時(shí)刻，而我已經(jīng)不再是愛激動(dòng)的年輕人了。我們期待著直接影響全世界的每一個(gè)人。”量子計(jì)算技術(shù)“的實(shí)現(xiàn)幾乎就近在眼前，處于最困難的攻堅(jiān)階段，每年都會(huì)取得顯著的進(jìn)展，”哈佛大學(xué)的查爾斯?馬庫斯（Charles Marcus）說。“隨著時(shí)間的流逝，我們會(huì)對(duì)自己說，｀我簡(jiǎn)直不敢相信它竟然這么難。＇我們會(huì)讓本科生來做這些事。這就是科學(xué)的本質(zhì)。”

????如果讓科學(xué)家們預(yù)測(cè)在大約 20 年后，量子技術(shù)會(huì)給世界帶來哪些變化，他們的想象力馬上就會(huì)瘋狂地馳騁起來。最普遍的一項(xiàng)預(yù)測(cè)就是，我們會(huì)看到──確切地說，我們根本看不見──計(jì)算機(jī)無所不在，畫在墻上的、鑲在椅子里的……還有植入你身體內(nèi)部的，它們相互之間保持著不斷的聯(lián)絡(luò)，而且需要的電力一點(diǎn)也不比從空中接收無線電頻率多。

????智能呈指數(shù)增長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)還可能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)長(zhǎng)期為之奮斗不懈的兩個(gè)目標(biāo): 模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及真正的（或近乎真正的）人工智能。“這將彌補(bǔ)我的智力，”加州大學(xué)洛杉磯分校的亞布魯諾維契說。“我想知道什么，就可以用它查詢。我可能忘記的東西，都可以用它找回來。我會(huì)變老，但這沒關(guān)系。我不必記住任何東西。”

????在所有科學(xué)家對(duì)量子未來的展望中，沃爾夫的想法或許是最標(biāo)新立異的。“我想象未來我們將不再使用便攜式電腦，”沃爾夫說，“也不再使用手機(jī)。我們會(huì)把它戴在身上。它變成了一根發(fā)帶。而且我們也不需要屏幕了，計(jì)算機(jī)會(huì)和右腦直接聯(lián)在一起。”

????最近的實(shí)驗(yàn)證明，利用超聲波精確地瞄準(zhǔn)，很容易將信息傳遞給大腦。索尼公司（Sony）今年年初申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，可以通過超聲技術(shù)向我們的大腦播送電子游戲。但這些游戲和我們現(xiàn)在的電子游戲完全不同。把超聲波傳感器上面的細(xì)帶子繞在你的頭上，就可以用任何方式刺激你的任何感覺。這些傳感器由高智能的量子計(jì)算機(jī)控制，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都與一個(gè)擁有無限帶寬的全球性網(wǎng)絡(luò)連接在一起。在機(jī)器的刺激下，你會(huì)產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等各種感覺。獲取大腦返回的指示──換句話說，就是閱讀思維的電腦──雖然稍微困難一點(diǎn)，但并非不能實(shí)現(xiàn)（神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)為殘疾人開發(fā)了一種能夠解讀腦電波的通訊裝置）。

????沃爾夫預(yù)計(jì)，不出 20 年，我們就會(huì)用“能上網(wǎng)的心靈感應(yīng)術(shù)”取代現(xiàn)有的手機(jī)通信方式。想象一下，你走在擁擠的街道上，周圍的人群中有一小部分人決定用發(fā)帶傳送自己視野內(nèi)的信息──這樣你就真的可以繞過街角看到他們了。交通工具可以用思想來駕駛。夢(mèng)境可以被記錄下來，通過網(wǎng)絡(luò)四處傳播，就像我們?cè)?Flickr 上分享照片一樣簡(jiǎn)單。

????當(dāng)然，某些人會(huì)對(duì)此感到不安，幾乎每項(xiàng)新科技都會(huì)讓某些人感到不安。但是，雖然我們還不清楚我們的社會(huì)會(huì)怎么應(yīng)用量子計(jì)算技術(shù)，但怎樣進(jìn)入量子時(shí)代卻是非常清楚的。“令人驚奇的是，我看不到有任何大的障礙阻止我們進(jìn)入量子時(shí)代，”沃爾夫說。問題在于什么時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)，而不是是否能實(shí)現(xiàn)；確切的時(shí)間（及地點(diǎn)）要由可以利用的研究經(jīng)費(fèi)的金額來決定。參加這場(chǎng)賽跑的當(dāng)然不只是美國(guó)；歐洲人和日本人都在花錢做大量的研究工作；印度和中國(guó)也加入了這一行列。

????我們面臨的主要局限并不是創(chuàng)造出真正的量子計(jì)算機(jī)，而是軟件工程師們的想象力。這是對(duì)未來的谷歌天才們的最大挑戰(zhàn): 使計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的能量無限地發(fā)揮作用，并創(chuàng)造出簡(jiǎn)易的交互平臺(tái)，讓所有的人都能輕松掌握。

????但是，發(fā)帶這種設(shè)想怎么樣？它會(huì)不會(huì)從身上掉下來？“人們不喜歡把計(jì)算機(jī)植入大腦中，”沃爾夫認(rèn)為。“但如果你只是將它戴在頭上，而它只是通過超聲波來與你聯(lián)系，我的意思是，你就可以隨時(shí)將它取下來。”就像以前出現(xiàn)的那些引起混亂的技術(shù)一樣──比如廣播、電視和互聯(lián)網(wǎng)，可能要等到下一代人，才能真正認(rèn)識(shí)到量子發(fā)帶的潛力，并把它看成是正常的東西。2006 年出生的沙朗?奧亞可能只會(huì)覺得，這種美好的未來是她和她所處的時(shí)代應(yīng)該享受的。

????譯者: 廉曉紅