好奇心驱使着人类不停地向前奋进：当面对一个新现象时，我们在被迫寻求理解它的同时，运用掌控的知识不断推进技术的发展，使生活变得更轻松。
――雷蒙·拉夫勒姆
量子信息系统领域的先锋：拉夫勒姆
在量子计算这一快速发展的领域，近百年来，好奇心驱使着科学家们一直徜徉在掌控这个曾经异乎寻常的世界的边缘。
量子计算机，由于它拥有能完成瞬间计算的能力――传统计算机穷尽宇宙中所有时间和能量都不可能实现――将推动着下一场信息革命的到来。然而，有关量子计算的思想尚不成熟，迄今科学家还无法预测这场革命将于何时发生。
对于加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的雷蒙·拉夫勒姆（Raymond Laflamme）或他的团队而言，开启这场革命所缺少的工具或将可能在钻石中被发现。
量子物理学的本性
量子力学领域中的观测和理论，已经使有关亚原子粒子的描述打破了所有已知的经典物理学规律，其本质上可穿越墙垒、远距离瞬间跨越，并让时间回到过去。
量子粒子可在同一时间处于两种状态。由于具有令人难以置信的敏感性，在对它们进行简单的观察过程中，其特性会发生变化。然而，在对较高质量粒子相互作用的测量中，可以计算出其细微的能量波动，从中让人们更好的理解量子困境。
拉夫勒姆说：“量子力学告诉我们，量子（计算）位或量子硬币同时既是头又是尾。这的确改变了世界的运作方式。”
利用著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）1982年提出的量子物理学的本性，一位早期的科学家曾设想过一个计算系统，即量子粒子同时具有多重状态的奇特能力――被称为叠加――在理论上允许并行计算。这一想法提出了一种在解决某些特定问题中，比基于1和0之上的传统计算的线性因子系统，要有效的多。
“包括激光和磁共振成像技术在内，我们已经拥有了可利用一小部分量子世界的技术，”拉夫勒姆说，“我们想比这更深入一步，好比我们面前是一个量子海洋，现在我们已经将我们的大脚趾伸入了海洋，我们将尝试到更深的地方。”然而，这一追求由于传统计算机的纳米结构存有缺陷而受阻――量子尺度的不完备被成倍放大了。
在近五年内――量子研究史上发生了一个较大的飞跃――相关思想发生了变化。“所谓准确度阈值理论的所有工作在2000年左右结束，”拉夫勒姆说，“换句话说，现实中的装置在理论上的不精确性和缺陷都将成为可控的。”而与可控性相伴随的是新技术的来临。
粒子海洋中的一员
根据摩尔定律，计算机芯片的晶体管数量每18个月就会增加一倍。随着晶体管的尺寸不断缩小，处理器制造商能够把更多的计算能力集成到更小的空间上，使得诸如智能手机和超轻型电脑之类的新技术成为可能。然而，在风扇不再能冷却它们之前，晶体管就只能这么小了，否则其结果必然是过热并融化。
一位艺术家基于亚原子核内存的自旋量子比特排列的构思（左图）
“世界上大多数技术都在制作纳米结构材料，”加州大学圣芭芭拉分校的物理学家大卫·奥沙隆（David Awschalom）说，“奇怪的是，某些特定材料的缺陷能够吸引电子，并以一种便利的方式将其保持在那里。”人造钻石就是这样一种材料：用化学蒸气沉积单晶材料，以形成足够大的晶体链。
钻石中的缺陷――丢失的原子――能够捕获电子，让奥沙隆团队得以研究这些粒子，以及其他粒子、自旋、分子和其他一些相互作用产生的自旋所形成的干扰。科学家们还可以用超高频电路操纵粒子的自旋。
以将自旋方向作为内存的信息点的方式进行计算，通过叠加，内存的多个信息点可以被记录下来――一个粒子代表一个单个的量子位（或叫qubits）。通过将约20至50个量子位排列起来，科学家们就可以进行搜索和排序算法――相当于在纽约市电话簿里配入一个电话号码。
“将钻石的这类特性与计算机的物理与动力系统联系，是科学家最感兴趣的。”奥沙隆在解释这种材料如何省去过冷过程时说。“因此，对许多科学家而言，它都非常易于使用，包括我自己。”
智慧正在这里迸发
1994年，拉夫勒姆面对的是一个备受关注的领域，也就是他后来从事的量子宇宙学研究：当量子噪声干扰了粒子之间的相互作用，你是如何对宇宙的分布进行分析的？结果证明，量子计算所解决的就是此类难题。为了更好地理解这个问题，当年拉夫勒姆参加了一次量子计算研讨会。事实表明，这次会议促成了拉夫勒姆在这一领域中的“异军突起”。
“有一个数学家曾经证明过，原则上，基于量子物理学定律的计算机可以计算海量数据，这也是所有密码使用方法的基础。”马里兰大学联合量子研究所主任史蒂夫·罗尔斯顿（Steve Rolston）说。
根据麻省理工学院教授彼得·肖尔（Peter Shor）的算法，量子计算机可以找出一个给定整数的所有素数因子，而且比传统计算机要快的多。一夜之间，银行系统、网上购物或其他以代码为基础的网络加密方式，将变得非常脆弱。
“突然间，美国国家安全局（NSA）开始关注起这一问题，”拉夫勒姆回忆道，“他们问‘这是真的吗？肖尔究竟是个疯子，还是一个科学家？’”如果所有情报机构使用的加密技术将处于危险状态，NSA想知道一台运转正常的量子计算机什么时候被建造出来。
随着量子研究经费的不断增加，其他领域的科学家也对其产生了兴趣。“你常常会听到人们在谈论跨学科什么的，有时它仅仅是一个时髦的词语，”罗尔斯顿说，“但在量子研究领域，的确是物理学家、计算机科学家和数学家的聚合之地。智慧在这里迸发。”
“信息革命实际上是一场量子革命，因为我们所有的电子产品都是基于量子力学、半导体、晶体管规律之上的，”罗尔斯顿说，“现在正在试图做的是，我们能否不再那么做了，而是运用量子力学中迄今仍未得到有效利用的其他方面。空间总是被局限于某种意义上。”
最可能从量子态的操纵中产生的技术是传感器。就像在化学和生物学领域一样，导致蛋白质核结构成像方面的非凡进步，或改变药物的设计方式。迟早有一天，一台能捕捉量子前沿信息的机器就在你的衬衣口袋里。
“一旦我们有了量子计算机，我们就可以利用量子世界，”拉夫勒姆说，“任何我们想做的事，我们都可以做到。量子计算就是我们的圣杯。”
资料来源 Science
责任编辑 则 鸣