与核聚变能源研究类似，量子计算机的研制有着诱人可能性。在二十一世纪里，这一研究可能会实现，也可能不会实现――这不仅取决于科学和技术的曲折发展进程，同样也取决于政治和经济的曲折发展进程。
斯科特·阿伦森
当人们听说我从事量子计算――一种关于未来计算机运算的最前沿的理论建议――的研究工作时，他们的第一个问题通常就是，“既然如此，我的办公桌上什么时候有希望放上一台可以工作的量子计算机？”包括媒体经常列举出关于商用量子计算机的应用指日可待的铺天盖地的新闻报道。当我对这些新闻报道与现实情况之间的牵强关系进行解释之后，他们会问：“那样的话，要等到什么时候？10年之内能行吗？20年之内呢？”遗憾的是，类似这样的问题，就像在问十九世纪三十年代设计出第一个现在通用计算机图纸的查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）：你研究的玩意儿是否会在十九世纪四十年代或五十年代出现。
魔力机器：量子计算机
现在的量子计算研究人员面对着相似的窘境，他们勾画出了一个引人瞩目的关于一种新型计算机的设想：一旦这一构想变成现实，一些问题将会很快得到解决。而这些问题即使对于今天运行速度最快的超级计算机来说，却永远不能解决。但是，一些建造量子计算机所需要的材料直到现在还没有找到。
由此，你可能会认为，对于真正的科学家们――与科学幻想迷截然不同――来说，不必担忧量子计算机的研制会花费太长时间。然而，我将会提出一个完全不同的看法，量子计算理论的提出确实是现在科学界发生的最激动人心的事件之一。但是，并不是因为你通常所听说过的原因。
首先，虽然有关量子计算的研究已经开展，但究竟什么是量子计算机？
如果非要用新闻报道喜欢用的比喻来描述这一数学成就，大多数受欢迎的作家会把量子计算机描述成一个有魔力的机器，它可以并行处理每一个它能够处理的问题，而不是每次只尝试处理一个。根据量子计算机的构想，这是可能的，因为与现在计算机控制比特进行运算的方法不同，量子计算机可以控制量子的比特，或者称为量子位，每一个量子位可以同时被定义为“0”和“1”。
但是，这种关于量子计算机工作原理的构想是非常粗略的，遗漏了这个原理的许多重要方面。当你衡量一台量子计算机的输出时，你会仅仅看到一个单一并且任意的答案――而不是一个包含所有可能答案的清单。当然，如果你仅仅需要答案中的任意一个，你可以自己选择，也没必要用量子计算机，而且自己选择也省了很多麻烦。
所以，更看好量子计算机的唯一理由就是，与我们已经习惯了的世界相比，亚原子世界遵循不同的概率法则。在日常生活中，如果有人说“明天降雨的几率是负百分之三十”，说这话的人会被认为是傻子，因而也就更不会有人说“百分之负一的平方根的机会”。然而，量子力学是建立在所谓振幅的数字基础之上的，振幅与概率有着密切的联系，不过它们也可以是“负的”（实际上，它们是复数）。
最为重要的是，如果一个事件（比方说，一个光子撞击屏幕）通过一种方式产生的振幅为正，通过另一种不同的方式产生的振幅为负，此时，两种振幅会相互产生“破坏性干扰”，并且相互抵消，以至于使得这样的事件似乎根本没有发生过。量子计算研究的目标是编排一种计算方法，以便使得导致错误答案产生的振幅会相互抵消，而导致正确答案产生的振幅会得到加强。
前景诱人：问题仍存在
一个广泛流传的看法是，研究人员已经掌握了大量制约计算机运算速度提高的瓶颈问题，并且知道如何利用这些诀窍来提升计算机的运算速度。然而，与这一看法相反，研究人员其实仅仅知道少数几个。到现在为止，研究人员所知道的诀窍主要有两个：模拟电子和原子的“行为”以及破解某些加密的代码――不幸的巧合是，需要破解的代码还包括应用于现代电子商务中的大多数密码。
当然，这两个问题都可以通过传统的计算机获得解决。但是，人们总是貌似合理地认为，任何一种传统的算法都将需要大量的时间，虽然没有人证明过这一看法。
不幸的是，虽然小规模的量子运算在实验室里已经演示过了，但仅仅在做了几十个操作之后，“量子们”往往就分崩离析了，这就是为什么到现在为止最值得庆祝的量子运算却需要把15分解成三个5――竟然需要高度的统计置信度！存在的问题是去相干性：通常情况下，相互分离的作用过早地侵入计算机脆弱的量子运行状态，于是量子就像一块蛋奶酥一样“崩溃”。
在理论上，误差校正技术可以使去相干性的影响变得微不足道，把它降低到一个特定水平上。但是，似乎无论在什么地方，实验人员都无法使其接近这一临界水平。然而，尽管量子计算机可能仍然与我们有几十年的距离，但实际已经产生了很多的回报。例如，量子计算机研制的可能性几乎已经推翻了诸如斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram）曾经支持过的宇宙概念。新的宇宙概念认为，像电影《骇客帝国》中展示的那样，宇宙自身通常就是一台巨大的计算机，摆弄一列由“1”和“0”组成的列阵，本质上与任何一台办公桌上的个人电脑所做的工作完全相同。
如果说“宇宙是一台计算机”的话，即使这一说法在一个非常牵强的理论水平上才能成立，那么它也是一台比人类制造出的任何一台计算机要强大很多（量子计算已经证明这一说法对传统观点提出的挑战）。实际上，要规避这一结论的唯一方法看似比研制量子计算机更加疯狂：人们将不得不推翻量子力学理论，否则就必须找到一个更便捷的途径使今天的计算机通过量子力学来运行。
暂且把对宇宙的关切放在一边，加强对量子计算机的研究能产出更加实用的副产品。那些被开发用来解释量子算法的技术，已经一再被证明对于解释传统算法具有重要的帮助。对于传统计算机来说，现在的很多加密密码是保证其安全性的主要证据，而这些密码设定所依据的参数是建立在量子计算基础上的。
量子计算理论也已经对化学和物理学产生了影响：已经有几个科研小组通过量子模拟计算来解释植物体内光合分子的卓越的捕光效率，并给出了如何设计太阳能板并使其具有与光合分子差不多的捕光效率的建议。
到目前为止，随着研究的逐渐深入，量子计算机研究带来的最大益处是人们对这一工作的理解和期盼。在二十世纪二十年代开始的量子力学研究之初，量子力学就被认为是深奥而复杂理论的代名词：除了少数物理学家之外，它超出了所有人的理解能力。然而到了今天，由于量子计算机使得量子力学得以应用，借助于这一既简单而又可以想象的系统，我和其他人可以向学生们解释量子力学的内在逻辑。
与核聚变能源研究类似，量子计算机的研制有着诱人可能性。在二十一世纪里，这一研究可能会实现，也可能不会实现――这不仅取决于科学和技术的曲折发展进程，也取决于政治和经济的曲折发展进程。相比之下，作为解决物理学和计算机科学领域内大量最深层问题努力的成果，量子计算机时代已经不需要再等待：它已经到来了。
资料来源 The New York Times
责任编辑 则 鸣
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本文作者斯科特·阿伦森（Scott Aaronson），麻省理工学院（MIT）电气工程和计算机科学系副教授。