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從數字時代到量子時代：美國著名科學家KAKU談量子計算機
米阿侖
從去年開始，有關量子計算機的新聞報導越來越多，這些報導都把量子計算機作為今后二十年信息科學技朮發展的最主要的推動力量。什么是量子計算機？它是不是我們現有計算機的大升級？它是如何運行工作的？在信息工業的各個方面，發展量子計算機技朮都被稱為是一場“革命”。這場革命是什么？為了獲得解答，受ChinaByte委托，我最近訪問了MICHIO KAKU博士。
中國科學界和科學出版物的讀者大都熟悉MICHIO KAKU博士。他是紐約市立大學的理論物理學教授，是當今高能物理和理論物理學中超弦理論（SUPERSTRING）的發明者之一。KAKU博士的兩部著作，《超空間》（HYPERSPACE）和《預見科學如何使二十一世紀革命化》（VISIONS：How Science Will Revolutionize The 21st century），是國際暢銷科學讀物，都已翻譯成中文出版發行。在美國，他還是全國科學廣播講座節目的主持人。KAKU博士跟他的夫人和兩個孩子居住紐約市。以下是我的訪問記錄。
問題：米阿侖的提問﹔
回答：KAKU的回答
問題：KAKU博士，作為高能物理學專家，請你說說什么是量子計算機？
回答：摩爾定律認為計算機性能每十八個月翻一翻，它使人類社會的許多方面發生了徹底變革。這個定律已經存在了大約五十年，然而，到2015或2020年左右，這個定律將不再有效，因為硅芯片在原子水平沒有效能，例如，如果硅芯片電路的線寬等于或小于五個原子時，就會發生電子滲漏，從而使硅芯片變得毫無用處。
這種現實狀況使所有的計算機科學家擔心最富有的硅谷在2020年前后將變成一個老朽的廢物，全新的計算機結構將代替硅芯片結構，可以預見的有：DNA計算機、分子計算機、蛋白生命計算機、光學計算機、量子點計算機和量子計算機。在這些結構全新的計算機當中，最強大的是量子計算機。
問題：基于目前計算機使用的二進制，我們把當前的時代叫作“數字時代”。當量子計算機問世的時候，我們的數字時代是不是會變成“量子時代”？
回答：當前的計算機都是基于二進制，從原理上講，任何能以0和1狀態存在的系統都可以用來制成二進制計算機，有時我們也把它叫做圖靈機。二進制計算機用0和1、off和on工作，儲存信息使用的是代表0和1的“比特”。然而，量子計算機用的不是0和1的二進制。
簡單說，在一個磁場里，用激光照射原子束，就可以構成一個量子計算機。分析激光反射，我們可以看到不同原子的大量趨向信息。這實質上是做了非常復雜的計算。測量激光是如何反射的，就是做了量子計算。
更精確地說，這些原子可以做上下方向的自旋，象個自旋的陀螺。當激光沖擊這些原子的時候，它改變了某些原子的自旋方向并得到反射。被反射的激光載有原子自旋方向發生變化時的擴散過程的信息。
關鍵是，這些原子并不是真正地指向“上”或“下”，而是遵循量子力學的原理同時處于“上”和“下”的混合狀態。由于它們并非真正的0或者1，我們稱之為“量子比特”。從原理上講，那些基于原子和量子比特的混合的“上”和“下”，可以從事比現有計算機復雜得多的計算。所以，量子計算機不是數字計算機，而是跟現有二進制計算機完全不同概念的計算機。
問題：現有模式計算機的功能、記憶容量，等等，在持續增強擴大。我們為什么需要量子計算機？為什么眼下還沒有量子計算機呢？
回答：從一個簡單的應用實例來說吧，量子計算機可以破解復雜的密碼。跨國銀行、警察機關、中央情報局，等等，都對如何保護和破解密碼非常感興趣。
多數密碼是由很長的級數構成的。比如，給定一個100位的數字，現有計算機要用很長時間來判斷這個數字是不是由兩個很小的整數產生的。銀行知道，罪犯要破解這個數字構成的密碼，就要用很長時間才能做一百位的級數計算，因而，銀行可以通過安全電纜做上億美元的轉帳。從原則上說，量子計算機可以高效率地破解這個一百位數字的密碼。
然而，量子計算機還不存在，至少不是按照我們設想的形式存在，量子計算機科學家需要解決許多問題。
第一個問題是如何獲得純原子。一個極其微小的干擾（例如偶然的宇宙射線）都能把分解好的原子串聚積毀掉。因此，量子計算機必須將原子嚴密地隔絕和保護起來，防止哪怕是最輕微的騷擾。
第二，還有一個如何操作使用原子弦的實際問題。
到目前為止，科學家能夠說明量子計算機的基本原理，盡管一些科學家起初懷疑，但是，量子計算機的原型說服了他們。然而，這離制造出一台可以從事實際工作的量子計算機還很遠。
問題：那么，您預計量子計算機會取得怎樣的發展呢？
回答：未來十年，我們可以看到量子計算機有突破性的發展。然而，現實地說，要發展出完全超過現有的硅芯片集成電路計算機功能的量子計算機，可能要几十年。可是，一旦搞出來，那么，不但各國政府可以用來分析破解密碼，而且可以用來從事硅芯片集成電路計算機所不能解決的人工智能問題。現在，數字計算機很難解決人工智能中的一些“常識”問題，一個八歲的孩子的常識智能活動，超級數字計算機要用几億行的常識指令才能完成。量子計算機在這方面也許能提供幫助。
問題：量子計算機能很快破解現有計算機的口令和加密密碼，有很強大的功能，這對安全有什么影響？將來，我們還有隱私可言嗎？
回答：不少人擔心，我們不會再有隱私了，“老大哥”（Big Brother，專門監視人的人）會被“小兄弟”代替了，竊密者（busybody，無事可做而專門刺探別人秘密的人）也能得到我們的個人文件了。
然而，量子物理學能夠幫助我們。我們可以用量子物理學基本原理制造出一種光纜，探測出哪怕是最細微的非法侵入。比如，我們向玻璃纖維發出磁極化的激光，有人試圖“竊聽”侵入，磁極化的激光就會得到警號，我們就可以確定有人在非法侵入。運用海森柏格(Heisenberg)不確定原理，我們可以毫無疑義地確定有人在竊聽侵入。這種方法叫做量子加密技朮，在數英里長的光纜運行中獲得了有效証明。將來，銀行和政府可以用光纜收發保密信息，用量子加密技朮防止竊聽侵入。
有些人建議，用量子計算機來識別翻譯外星文明發來的信息。在伯克利大學，科學家召集了几百萬個在家里操作個人計算機的人，共同識別翻譯從外空接受的電波訊息。到目前，這是計算機歷史上最大的運行項目。就我個人來看，我相信，就是一個量子計算機，對這樣的項目也是無能為力。任何高級文明都能將它自己的信息擴散到整個頻率范圍。這樣，局部干擾，例如超新星干擾，可能損壞一個頻率但不能損壞全部。在另一端，接受者可以重新加工信息。如果我們只接受聆聽一個頻率信息，我們只會得到毫無意義的聲音。如此一來，星系的信息如此之多，以至于我們根本就破譯不出什么消息了！
問題：軟件呢？在軟件方面也是如此嗎？
回答：為量子計算機編寫軟件也是一個挑戰。在一般情況下，軟件是為了實現基于比特的數字計算。然而，量子計算機用的是量子比特，不是二進制比特，所以，我們必須有適合量子計算機的軟件方法。
問題：不管在夏天還是在冬天，不管室內室外，現有的半導體集成電路的計算機都能工作。量子物理學說明，原子很容易失控。就實用來說，在一般條件下，我們如何使用以原子為基礎的量子計算機呢？
回答：用量子計算機進行復雜的計算，需要量子計算機有几百、几千甚至上百萬個原子聚集聯合。這恰恰是量子計算機的本來目的。一旦實現這個目標，那么，今天看來是很神奇的東西就會變得很平常，社會也會發生很大的變化。
不過，有一個關鍵問題：一旦我們有較多的互相作用的原子，我們會發現，交互作用系統會被環境所破壞，失去原子凝聚，即有名的原子擴散問題。將系統與外部的交互作用隔絕，是一個非常困難的問題。
事實上，到目前為止，在環境干擾破壞系統之前，科學家只能一次用几個原子做計算。對量子計算機來說，這是一個實際操作上的問題，而不是原理問題。換句話說，這是因為我們的實驗室還沒有達到制造純原子凝聚集合的水平。
問題：據各方新聞報道說，實際量子計算機將在五年內實現。五年內，我們能見到量子計算機嗎？
回答：雖然有關項目對量子計算機的出現是很樂觀的，但是，那還是几十個原子凝聚的量子計算機項目。在今后五年到十年內，科學家用几十個原子凝聚制作量子計算機會有很大的突破，新的和更困難的問題會得到解決。
然而，按照預期使用几百個，几千個或几百萬個原子聚集制作量子計算機，是很誘人的，但是，還需要几十年的努力。這個期待使量子計算機領域非常活躍，許多世界一流的實驗室科學家都在努力追求這個似乎難以達到的夢想：制造一台有成千上萬甚至几百萬個原子凝聚的量子計算機。這個目標還很遙遠，然而，一旦實現，我們所知道的人類文明就會發生巨大變化。
問題：你的科學著作，《預見科學技朮如何使二十一世紀革命化》，在許多國家都是暢銷書，而且翻譯成了中文。在這本書里，你討論了二十一世紀的各種計算機革命。你為什么叫它是“革命”呢？
回答：那本書，《預見科學技朮如何使二十一世紀革命化》，的確在許多國家暢銷。為了寫那本書，我訪問了全世界一百五十名最高級的科學家。這些在試驗室里從事發明的科學家對我說：那些把科學技朮作為擺脫貧困的手段的許多國家，都將有無限美好的未來。
這一點非常重要。國際金融和資本主義正在變化。在亞當﹒史密斯的舊系統中，財富的基礎是勞動力和自然資源。過去七十年，商品價格持續下降，二十一世紀還會繼續下降。財富資源將逐漸從商品方面的資本轉向知識方面的資本。這就是說，如果拒絕知識方面的資本，今天以自然資源而富有的國家將發現它們的經濟會走向衰落，而那些今天貧困的國家如果投資于：
1）互聯網和通訊技朮產業 2）人民大眾的教育事業
3）信息產業和生物DNA 研究
那么，它們將會變得富有起來。或者說，過去一個世紀貧困的國家可以超越現在富有的國家。比如，用衛星通訊，可以超越那些家家戶戶使用電纜通訊的國家。這意味著發展中國家應該接受這些新技朮，盡管這些新技朮可能會攪亂他們的傳統社會文化。
科學和技朮是社會財富的主要資源。任何一個致力于科學技朮發展的國家都能發現，它們在二十一世紀會成為富有和繁榮的國家。
問題：中美建交二十年以來，你已經教授了許多中國留學生。你對他們的印象是什么？
回答：過去二十年，我的確教了許多從中國來的學生。我看到，他們非常好學，專心致志，非常聰明，可以跟世界上任何地方的最好的學生媲美。更重要的是，他們對新思想很開放，能很快趕上發達國家的學生。閱讀主要高等學府的科學雜志，經常能看到中國學生的名字，他們非常成功地進入了科學研究的主流。
原載ChinaByte，2000-05-08/龍利平整理
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