最近的实验加深了我们对反直觉的量子理论的理解：它们确实是量子计算的前兆吗？我们对此表示怀疑。

量子计算原理是大约15年前由计算机科学家把量子力学叠加原理应用于计算机运算过程而提出来的。由于人们认识到一个二能级系统可被看作一个量子位，或“qubit”，以及这种系统之间的相互作用可导致遵守非经典逻辑的量子门的制成（见Physics Today 1995年10月第24页和1996年3月第21页），因此量子计算最近已成为物理学中的一个热门话题。

就原理而论，具有这种门的网络可以对大量量子位处于叠加状态的寄存器进行处理，实现大容量并行并且可用比经典机器所需要的少得多的步骤解决某些问题。贝尔实验室的P. 沙尔（P. Shor）的发现——理想化的量子机器其高效率的因数分解算法，为这一领域増添了重要的意义，对于现存的计算机因数分解问题是如此之难以解决，以致它被广泛用于安全加密。由于因数分解速度较快，量子计算机将使现存的加密系统失效。

当前，我们觉得在这个激情荡漾的新领域中需要一些批评性的建议。我们认为这种热情当然是有道理的，但是未必因此要被广泛采用。虽然量子计算这一想法涉及到一些极其吸引人的，远非仅仅是计算较快这一相当通俗的问题所能比拟的新物理学，但我们还是相信，实现大规模计算将仍然是在可预见到的未来里，一个不太可能实现的梦想。

然而，在研究简单的门运算和一些量子位关联的过程中，物理学家将能弄清楚许多难以捉摸的经典世界和量子世界的界限，并且寻求解决一些半个多世纪前由量子力学创立者们提出的深奥的问题。这一研究大大地受益于计算机科学家引入的概念，从而提供了一个明显的数学和物理学学科交叉互相启发的范例。同时，我们认为，对一个在其中，既已经做了过多并过于乐观的预言，而实际应用又过于遥远的领域，要提高警惕。对于这个问题，我们可以回想一下曾经对光计算机和约瑟夫森计算机所寄予过的厚望。

理想的量子计算机其基本结构单元是一个具有两个相互影响的量子位：“控制位”和“对象位”的量子门，控制位保持不变，但是它的状态决定对象位的演变：如果控制位处于0态，那么对对象位没有影响|如果它处于1态，那么对象位就应该进行意义明确的转变。

量子力学允许多重选择。如果控制位处于0和1的某些相干叠加态，那么将使门的输出发生关联。也就是说，使这两个量子位在一个无法分离的状态中强烈相关，类似于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬中的粒子对。输入量子位的叠加和输出状态的关联是把这些门和经典门区分开来的基本特性，至少在理论上开发出了丰富多样的计算能力。

最近的实验

最近关于被封闭于微小空腔内的离子或原子和光子的各种各样实验，已经展示出量子门必需的所有要素。原子或场的状态可被简化为二能级系统，通过使它们相互作用，我们能实现基本的量子位运算。我们认为这就是为什么量子计算概念最近变得如此流行的主要原因。

因而，最初被设计用来检验量子理论基本观点的实验装置，最近被用来演示量子逻辑运算。虽然操作一个单一的量子门不会遇到根本困难，但是当考虑到综合有许多门大规模计算机的运算时，情况就会发生剧烈变化。为了进行计算，机器必须演化成由大量可供经典选择的路径的量子干涉造成的量子位状态的高度叠加。

这样一种梦幻中的情况要求机器完全孤立于外部世界。但实际上，量子相干性对与环境的耦合非常敏感。这种现象的警告已在许多研究中被强调过。一个影响激发量子位状态的单独的弛豫事件能破坏量子计算所要求的相干性。

一个简单的讨论将有助于我们理解脱散问题的大小。如果T是一个单独量子位的弛豫时间，t是一个单独门的运算时间，那么R=T/t将作为假想的计算机品质因数。如果我们希望以适当的成功概率进行计算，那么R必须大约为量子位数与门运算次数之积。

例如，我们粗略地考虑一下沙尔因数分解法的适当应用：分解一个四位数字，即使是这也得需要在20个量子位上进行大约20000次门运算，因此R将大约比400000还要大，这是我们现在最好的量子光学系统所具有的一个非常好的质量因数了，一项更实用的工作，例如分解一个400位数字会如何呢？这时的R，它的大小将至少是输入数码大小的三次方，将大致达到4×10¹¹量级。

不要焦虑！

乐观主义者声称这种需要不会妨碍我们。他们会说：“毕竟在巴斯卡（Pascal）机器和奔腾（Pentium）处理器之间已取得了很多进步”，他们由此推断出技术和资金所能做到的事情是没有明显极限的。但是，这种观点认为t和T可以被独立自由地向相反方向改变，然而，对我们现在所知的任何系统来说这是不正确的，把量子位耦合到一起的物理作用会引入量子位自己的噪声，这将对量子位产生随机干扰。

例如，在离子封闭型量子门中，量子位被编构在离子基态的两个亚能级上，原则上，它们具有无限长寿命。但是量子位运算是由激光诱导拉曼过程完成的，这个过程含有离子向短寿命激发态能级潜在的跃迁。如果我们通过提高激光的功率来缩短潜在的跃迁间隔，那么我们同时也会增加不希望有的向激发态真正跃迁的可能性，继之以破坏位的量子相干性的自发射。因而不可能在最终不缩短T的条件下缩短t。

不考虑激光功率，我们可以证明，这样一个离子封闭型量子门的R值不能显著地超过精细结构常数倒数的立方，粗略为3×10⁶这个极限适用于任何基于容许电偶极光跃迁的量子门。因而，如果不做任何脱散方面的修正，我们期望光学量子计算机能完成的最辉煌的一项工作，将仅仅是四位数的分解！

还有另外一点值得提一下。宏观量子系统，例如超导电金属或者最近产生的玻色-爱因斯坦原子凝聚态，不会被脱散破坏（见1996年8月Physics Today，第11页）。既然这样，那么为什么量子计算机是如此容易被干扰破坏呢？它们之间实际上存在着根本的差别。宏观凝聚态，即使它们包含有大量的粒子，也是被一个单一的量子态所描述的，这个态的信息容量必然是零。与之相反，在假想的量子机器中，量子位可以被叠加上大量不同的态。例如一个千位寄存器可以包容2¹⁰⁰⁰≈10³⁰⁰个态，上百万次的运算必须保持住所有这些态之间的相干性。处理这样一个量子怪物将是一件几乎和保持著名的薛定谔猫处于生态和死态的叠加态一样困难的事情。

监控措施

所有这些方案都依赖于冗余信息的利用。我们将o或1编构在由三个或更多的量子位组合的关联态上，而不编构在一个单一的位上。一旦某个位偶然地发生反转，那么这个偶然事件就会被一个敏锐的检验程序（监控器）识别并且修正。我们不要被多粒子的关联态是如此之难以配制以致还无人获得成功这件事所妨碍，因为仅仅是对这种态的准备工作，也将会是一个实施中的可导致对量子力学检验的实验过程。即使今后技术进步使这种关联态成为实验室中的平常事，我们的监控器检测过程其任何误差（任何探测效率都小于100%）也都将导致相干性的损失，同时控制这个系统所要求的操作过程中任何缺陷也都一定会引起附加的错误。因此我们认为下述说法是合理的：除非某些未被人知的新物理现象被发现，否则一旦我们要处理很多门的时候，错误修正码的执行就将变得非常困难。在此意义上，虽然大规模量子计算机可能是计算机科学家的憧憬，但它却只能是实验家的一枕黄粱而已。

如果大规模量子计算机是不现实的，那么只具有几打量子位的小型量子计算机会如何呢？由于这些机器要遵守量子逻辑，麻省理工学院的劳埃（S. Lloyd）证明它们将特别适合于计算由和计算机所具有的位一样多的粒子构成的量子自旋系统的行为，相当于用1个遵守相同运动方程的人造复制品模拟一个实际的物理系统。我们强烈地怀疑存在这样的实际的自旋问题，有必要对它进行这样一个复杂的模拟，而不研究自旋系统本身。如果我们只涉及到少量粒子，那么经典计算机就可完成这项工作，对量子计算的需要则完全多余。

即使量子计算最终只是一个幻想，程度为几个量子位的量子信息处理的物理过程也照样会是吸引人的。用处于陷阱中的离子或空腔中的原子做的关联粒子实验，将有助于我们理解量子测量理论的基本观点，它们或许能导致简单量子系统精细光谱学的重要进展。

新近被发现的直到最近还被认为是不可能的局部控制脱散作用的方法，大大地提高了我们对介观系统耗散的理解。在概念简单的实验中检验量子脱散同样是一项重要而有趣的工作。这些实验很可能使我们认识到最终使大规模量子计算机计划失败的过程，而不会教导我们如何建造大规模量子计算机。

[Physics Today，1996年8月号］