大脑修复术、心灵感应、准时的航班，这就是未来主义者眼中量子计算机给我们带来的世界

    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护下早早醒来。一整夜，床头柜中的精确传感器都在监测她的呼吸、心律和大脑活动。盥洗室的水池已经分析过了她昨晚留下的一小滴血样，了解自由基和癌前期细胞的情况；今晚，就会有一批合适的预防药物送到她在亚特兰大的旅馆。这是一项昂贵的服务，但作为一名基因临床医学家，沙朗•奥亚（Sharon Oja）认为是值得的。

    她走进淋浴间。里面的瓷砖探测到她的出现，开始播放今天的头条新闻: 载人登陆火星代表团计划提前出发。美国军用无人驾驶飞机利用智能尘埃又摧毁了恐怖分子训练基地。曼哈顿的一名高级银行家被裁定犯有欺诈罪，并被判处过 10 年低技术生活。另外，今天是第一台量子计算机问世 20 周年纪念日。

    沙朗笑了。今天也是她 24 岁的生日。她对量子位（qubits）──最小的量子信息单位──诞生前的世界知之甚少。

    她穿戴整齐，选了一顶时髦的卷边草帽戴在头上。量子计算技术使服饰行业出现了出人意料的复兴: 在帽沿周围的缎带里，是沙朗的通信中心和智能助理，它们已经浏览过她昨晚收到的 50 万封电子邮件，并进行了分类。等她走到汽车前时，这个系统已经在她的大脑视觉皮层上播放了最重要的 10 封邮件和她的行程表。所有的文字都从她的视野上方向下滚动，直到在底端消失。

    她的这辆本田牌（Honda）氢燃料汽车知道今天会是一个反常的温暖天气──实际上，因为有了量子计算机的模拟系统，它五年前就已经知道今天的天气了，汽车还会把天气信息自上而下地滚动显示给她看。沙朗开车上了高速公路，拐进智能道（Smart Lane），疾驶而去。帽带里的智能系统为她放映父母发来的生日录像和老板发来的经过高级加密的备忘录。

    机场没有检票口或警戒线。沙朗只需要通过一扇旋转门，它会检查她是否携带了危险品，核对她的身份，确认机位预订情况，然后将登机口的号码交给她，整个过程只需要一秒钟。她甚至不用费事去查看飞机是否准时──因为航班的模式就像天气一样可以计算，O'Hare 机场五年来还没有延误过一次起飞。

    在行李托运处，她看到一名熟悉的男子，头上戴著像犹太人的圆顶小帽一样的智能帽。沙朗帽子上的缎带已经开始工作了，闪出他的虚拟名片，旁边是从谷歌（Google）搜索到的关于他的前 10 条记录。“霍顿（Horton）医生，”她喊道，“真高兴再见到你。那次糖尿病会议怎么样？”霍顿医生的眼睛轻轻闪烁了几下，只有这个细节泄露了他也在搜索沙朗的详细资料。“你好，奥亚小姐，”他说，“祝你今天过得开心。”沙朗露出灿烂的笑容，心里默默地感谢那位量子计算机的创造者。

    这是科幻小说，对吗？当然──人造卫星、登月计划以及最原始的微处理器也都曾经是科幻小说中才有的东西。然而，对于处于量子计算技术领域前沿的科学家来说，上面的情景还是比较保守的预测。“真正的计算技术时代甚至还没开始。”惠普公司（Hewlett-Packard）的科研专家斯坦•威廉斯（Stan Williams）说，“我们现在拥有的只不过是一些小玩具，比算盘高明不到哪儿去。我们面临的挑战是尽可能接近物理学的基本定律。”

    传统的计算技术以及它蚀刻在硅片上的微型电路到目前为止只能告诉我们: 摩尔定律（Moore's law）──同等空间所能容纳的计算能力每 18 个月就会翻一番──到 2015 年将会遇到硅这种材料带来的限制。（罪魁祸首是超高温，这是由通过集成更加紧密的电路的电荷造成的。）如果我们希望使计算机在那之后仍然能继续发展，做到沙朗生活中那些神奇的事情，我们就必须解决如何处理量子领域中大伤脑筋的规则。就像《爱丽丝漫游仙境》（Alice in Wonderland）中的仙境一样，量子世界里的亚原子微粒也能同时处于两个地方。

    幸运的是，某些世界领先的研究机构和技术团体正在从事这方面的研究。科学家们创造出一个个单独的电子，调整它们的自旋转。我们已经掌握了亚原子电路。但是由于已取得的实质性突破深藏在艰涩难懂的刊物之中，就连当今最高明的计算机用户也会感到头疼，所以这些突破的重大意义很容易被人忽视。

    量子革命的确凿证据在 7 月亮相市场，由摩托罗拉（Motorola）派生的新公司飞思卡尔半导体公司（Freescale Semiconductor）的磁性随机存储器（MRAM）芯片开始投入商业化生产。你第一次注意 MRAM，可能会是在你购买了一架可瞬间存储照片的数码相机的时候。又过了几年的功夫，便出现了可以像电灯一样开启的新型便携式电脑。

    MRAM 的速度这么快，是因为一种所谓的巨磁阻效应（gaint magnetoresistive effect，GMR）。虽然它听起来好像电影《X 战警》（X-Men）里的某种东西，但是如果你把几张超薄磁膜在一起，让它们相同的磁极相对，就会感到阻力，这里面就有 GMR 的作用。也就是说，电子会按照两种不同的方向旋转。电子会像陀螺或弹子球一样在与磁场相对的某个方向旋转。改变磁场的方向，电子的旋转方向也会随之改变。这个基本的量子效应可以当作二进制比特，旋转的方向可标记为“0”或“1”，用来存储数字信息。

    在传统的计算技术中，这些 0 和 1 是通过接通和切断电流来实现的。与电荷相比，旋转受环境的影响较少，并且衰减的过程也更加缓慢。而且，要产生电荷，需要持续的电力；计算机断电时，电荷也就没有了。而使用磁性设备，存储器在断电时会保持不变。磁性设备还会给你带来一项额外收获──并且绝对是一项重大的收获，如果这个系统中不需要电，也就不存在限制摩尔定律的高温问题了。

    这项存储器上的突破主要应当归功于 DARPA，即国防先进技术研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency），也就是五角大楼里给我们带来了互联网的那群人。而且，尤其应该归功于 62 岁的物理学家斯图尔特•沃尔夫（Stuart Wolf），他最近离开 DARPA 去了弗吉尼亚大学（University of Virginia）。从 1993 年起，这个国防机构已经在沃尔夫创立的量子研究项目上投资 2 亿美元以上。

    虽然 MRAM 仅仅是针对存储功能的，但是控制计算设备的旋转的能力──沃尔夫发明了“自旋电子学”（spintronics）这个词来描述这项研究──具有重大意义。接下来的努力方向就是让电子旋转在实际的计算中发挥作用。在戴维 奥沙隆（David Awschalom）的带领下，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）的一支研究小组通过控制半导体和其他只有几纳米大小的材料中的电子旋转，已经在这个研究方向上取得了巨大进展。这可能不仅意味著高温带来的困扰将会结束，还意味著有可能使计算机技术发展到分子领域。有了分子水平的芯片，便携式电脑的计算能力将远远超过目前万亿级的超级计算机。

    而且，就连分子水平的计算机也会很快成为落伍的庞然大物。2004 年，IBM 的丹•鲁加尔（Dan Rugar）利用磁体控制了单电子的旋转，这个实验被美国物理学协会（American Institute of Physics）誉为当年最重要的实验。在理论上，这意味著我们能制造亚原子水平的电路了。在这个水平上，粒子的运动更加复杂，并且能够──同样是在理论上──完成更具有挑战性的工作。

    在亚原子水平的世界里，磁旋转可能发生在上方、下方和中间的任何位置──并且完全在同一时间发生。这是量子力学中的一种奇怪现象，叫做加（superposition）。出现这种现象的原因可能是电子有时候的运动更像是波，而不是粒子。你可以想象一根弦，两端固定，不停震动。如果你适当地控制震动，弦的一端会向上运动，而另一端向下运动。而且它会像波一样，同时取上下两个极限之间的每一个值。

    在现代计算机的二进制数学中，每个比特都是 0 或 1。但是，如果一行原子中的每个电子都可以同时在两个或两个以上的位置出现，我们就可以利用这些位置进行计算，指数的力量就会显示出来。假设一个量子比特，即量子位，能够同时代表两个值，那么联在一起的两个量子位就可以同时表示四个值，三个量子位就能同时表示八个值，以此类推。20 个量子位能够同时表示的值将接近 100 万个（2 的 20 次方）。

    利用这种指数增长的力量，你可以解决任何以指数形式扩大的问题，而有很多非常重要的问题都属于这种类型。目前，我们还不能准确地预测天气或交通状况，也不能准确预测病毒的变异情况，因为这些问题涉及的变量数以及变量之间可能存在的相互作用对于现在的计算机来说是一个天文数字。量子位将彻底改变这种情况。

    量子位可能带来的另一项进步，涉及到所谓的纠缠现象（entanglement）──也就是爱因斯坦所描述的著名的“幽灵式超距作用”（spooky action at a distance）。这是一种粒子间的亲和性: 一旦两个亚原子粒子纠缠在一起，就会以一致的步调运动，即使彼此相距甚远。利用这种能力，就可以实现绝对安全的通讯，因为只要篡改了其中的一个粒子，与其配对的另一个粒子也就失去了的通讯价值。这一点至关重要，因为量子计算机将能够破译目前使用的任何密码技术。

    诚然，从改变一个电子的旋转到建立一个以此为基础的电路，还需要经过漫长的努力，而且许多一度被认为很有希望的技术都被一一淘汰了。英特尔公司（Intel）的首席执行官欧德宁（Paul Otellini）始终对量子理论持怀疑态度，越来越不愿意为这个领域的研发项目提供资金。他说，有关硅原料将会销声匿迹的报导纯属夸大其词。

    但是，量子计算科学家们却非常自信。作为科学家来说，这样的自信程度真是令人惊讶。加州大学洛杉矶分校（UCLA）的电子工程学教授伊莱•亚布鲁诺维契（Eli Yablonovitch）说，“这是我一生中最激动的时刻，而我已经不再是爱激动的年轻人了。我们期待著直接影响全世界的每一个人。”量子计算技术“的实现几乎就近在眼前，处于最困难的攻坚阶段，每年都会取得显著的进展，”哈佛大学的查尔斯•马库斯（Charles Marcus）说。“随著时间的流逝，我们会对自己说，｀我简直不敢相信它竟然这么难。＇我们会让本科生来做这些事。这就是科学的本质。”

    如果让科学家们预测在大约 20 年后，量子技术会给世界带来哪些变化，他们的想象力马上就会疯狂地驰骋起来。最普遍的一项预测就是，我们会看到──确切地说，我们根本看不见──计算机无所不在，画在墙上的、镶在椅子里的……还有植入你身体内部的，它们相互之间保持著不断的联络，而且需要的电力一点也不比从空中接收无线电频率多。

    智能呈指数增长的计算机还可能实现计算机科学长期为之奋斗不懈的两个目标: 模拟人脑的神经网络，以及真正的（或近乎真正的）人工智能。“这将弥补我的智力，”加州大学洛杉矶分校的亚布鲁诺维契说。“我想知道什么，就可以用它查询。我可能忘记的东西，都可以用它找回来。我会变老，但这没关系。我不必记住任何东西。”

    在所有科学家对量子未来的展望中，沃尔夫的想法或许是最标新立异的。“我想象未来我们将不再使用便携式电脑，”沃尔夫说，“也不再使用手机。我们会把它戴在身上。它变成了一根发带。而且我们也不需要屏幕了，计算机会和右脑直接联在一起。”

    最近的实验证明，利用超声波精确地瞄准，很容易将信息传递给大脑。索尼公司（Sony）今年年初申请了一项专利，可以通过超声技术向我们的大脑播送电子游戏。但这些游戏和我们现在的电子游戏完全不同。把超声波传感器上面的细带子绕在你的头上，就可以用任何方式刺激你的任何感觉。这些传感器由高智能的量子计算机控制，每台计算机都与一个拥有无限带宽的全球性网络连接在一起。在机器的刺激下，你会产生视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等各种感觉。获取大脑返回的指示──换句话说，就是阅读思维的电脑──虽然稍微困难一点，但并非不能实现（神经科学家已经为残疾人开发了一种能够解读脑电波的通讯装置）。

    沃尔夫预计，不出 20 年，我们就会用“能上网的心灵感应术”取代现有的手机通信方式。想象一下，你走在拥挤的街道上，周围的人群中有一小部分人决定用发带传送自己视野内的信息──这样你就真的可以绕过街角看到他们了。交通工具可以用思想来驾驶。梦境可以被记录下来，通过网络四处传播，就像我们在 Flickr 上分享照片一样简单。

    当然，某些人会对此感到不安，几乎每项新科技都会让某些人感到不安。但是，虽然我们还不清楚我们的社会会怎么应用量子计算技术，但怎样进入量子时代却是非常清楚的。“令人惊奇的是，我看不到有任何大的障碍阻止我们进入量子时代，”沃尔夫说。问题在于什么时候能够实现，而不是是否能实现；确切的时间（及地点）要由可以利用的研究经费的金额来决定。参加这场赛跑的当然不只是美国；欧洲人和日本人都在花钱做大量的研究工作；印度和中国也加入了这一行列。

    我们面临的主要局限并不是创造出真正的量子计算机，而是软件工程师们的想象力。这是对未来的谷歌天才们的最大挑战: 使计算技术和网络的能量无限地发挥作用，并创造出简易的交互平台，让所有的人都能轻松掌握。

    但是，发带这种设想怎么样？它会不会从身上掉下来？“人们不喜欢把计算机植入大脑中，”沃尔夫认为。“但如果你只是将它戴在头上，而它只是通过超声波来与你联系，我的意思是，你就可以随时将它取下来。”就像以前出现的那些引起混乱的技术一样──比如广播、电视和互联网，可能要等到下一代人，才能真正认识到量子发带的潜力，并把它看成是正常的东西。2006 年出生的沙朗•奥亚可能只会觉得，这种美好的未来是她和她所处的时代应该享受的。

    译者: 廉晓红