量子計算機：摩爾定律終結(jié)者？

科學界的新寵“量子計算機”，正伴隨著摩爾定律的挽歌，蹣跚著向人們走來。

4月30 日，外媒報道稱，IBM已完成四量子位原型電路的研發(fā)，為推出真正量子計算機奠定基礎(chǔ)。這是IBM去年5月宣布未來五年將投入30億美元研發(fā)新一代半導體后的首次成果展示。

今年3月，谷歌也推出了自己的量子電路，并聲稱量子計算機的運算能力將超過普通計算機數(shù)萬倍。

隨著IT巨頭紛紛發(fā)布量子計算研究成果，素來低調(diào)的量子計算機突然成為熱門話題。但從已面世的量子計算機來看，不論其應用面還是單價效率，相比傳統(tǒng)計算機都還存在差距。

這種燒錢的大塊頭什么時候能終結(jié)摩爾定律，并“塌縮”成我們手中的智能手機，依然是個未知數(shù)。

理論遐想

如人類學會生火一般，量子力學理論作為20世紀人類最偉大的發(fā)現(xiàn)，對當今世界產(chǎn)生了深遠的影響。從核彈到電子顯微鏡，在支配量子理論基礎(chǔ)上，人類創(chuàng)造出眾多跨時代的產(chǎn)品。

量子計算機的構(gòu)想，正是基于量子力學理論的疊加態(tài)原理而設計的。

量子計算機的理念，最早是1982年由諾貝爾獎獲得者美國物理學家費曼在一次學術(shù)會議上提出。費曼的設想則是受到其好友——加州理工學院計算機教授弗雷德金的啟發(fā)。當時，弗雷德金正從數(shù)理上研究一種新型處理器。

傳統(tǒng)處理器的邏輯門（集成電路最基本的運算組件）不可逆，而弗雷德金構(gòu)想的新型處理器邏輯門是可逆的，這樣的好處就如同將單向車道丁字路口改為雙向車道十字路口，使得信息可在線路上掉頭，不必繞遠。

對于傳統(tǒng)處理器來說，“繞遠”就是將電路上的信號擦除，載入新的邏輯信號。這個過程將耗費大量的能量并發(fā)熱。在極高的運行速度下，處理器會因高溫融化。

另外，因為量子計算機處理的量子信息是一種疊加態(tài)，而非傳統(tǒng)計算機的0和1二進制。這就使得量子計算機在進行邏輯運算時，可一次得到多種甚至全部的運算結(jié)果。

這就相當于將高速路上的小轎車全部替換為雙層巴士，極大提高了運算量。科學家們由此推論，采用新邏輯門的量子處理器優(yōu)勢顯而易見，它比傳統(tǒng)處理器能耗更低且速度更快。

但此時的量子計算機理論并沒引起關(guān)注，因為不論從量子物理學角度還是計算機應用方面來看，量子計算機的實現(xiàn)過程都極其困難。

而著名的摩爾定律此時已然在科技界生效，簡單、可靠的實現(xiàn)方法，讓晶體管以百萬計的超大規(guī)模集成電路形態(tài)，順著電腦流水線進入企業(yè)和家庭，且價格越發(fā)低廉。而直到1988年費曼去世，量子計算機依舊停留在物理學家的腦海中。

機遇與爭議

真正激發(fā)起人們對量子計算機的熱情，源自1994年舒爾提出的量子算法。

20世紀末隨著計算機和網(wǎng)絡的普及，通信安全也成為棘手問題。而基于大素數(shù)乘積原理的RSA算法因為運算量大，難以被破解，被普遍應用于信息加密。

有盾就有矛。在貝爾實驗室工作的舒爾，依據(jù)自己的算法提出用量子計算機可快速破解RSA密碼。舒爾推論，當時需1000臺計算機8個月才能破解的129比特位RSA密鑰，一臺量子計算機不到10秒就能破解。

問題在于，此時的量子計算機雖然算法理論儲備豐富，但工程學上怎么才能造出一臺量子計算機，仍是個難題。

直到1999年，研發(fā)實際應用量子計算機的加拿大D-WAVE公司成立，造出一臺量子計算機的想法，才得以實現(xiàn)。

因量子計算機在密碼破解上的優(yōu)勢理論，D-WAVE公司得到了美國中情局的支持。2011年，D-WAVE公司與洛克希德馬丁公司以簽署合作協(xié)議的形式，售出了世界上第一臺商用量子計算機。該量子計算機售價被披露高達1000萬美元。2013年，D-WAVE公司又將第二臺量子計算機賣給了美國航空航天局與谷歌的聯(lián)合實驗室。

D-WAVE公司的兩次交易均獲成功，量子計算機實用化的大門似乎已向人們敞開。但對于量子計算機的爭論，也由此不斷出現(xiàn)。

雖然D-WAVE公司聲稱，其量子計算機比傳統(tǒng)計算機的運算速度大約快3.55萬倍。但很多研究團隊在考察過后表示，D-WAVE公司的量子計算機只有5倍于傳統(tǒng)電腦的運算速度，在某些情況下其速度甚至只有1/100。

另外，D-WAVE公司使用的模擬運算算法，也被指責不是真正意義上的量子計算機。

只是一小步

雖然質(zhì)疑聲不斷，但科學界還是給予D-WAVE公司的量子計算機部分肯定。畢竟它應用了量子原理來進行運算和儲存，并使得量子計算機能從實驗室走出來，跟傳統(tǒng)電腦就某一領(lǐng)域就行比武。

但即便如此，量子計算機還是個造價昂貴的“計算器”。購買同等計算能力，量子計算機用戶恐怕要多付出6000倍的價格。要終結(jié)行將失效的摩爾定律，量子計算機的產(chǎn)業(yè)化之路還有很長要走。

50年前，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在美國微電子雜志發(fā)表文章時預言，每過一年芯片單位面積上的晶體管數(shù)量和性能將會翻倍。

到1975年，摩爾發(fā)現(xiàn)一年太短，表示兩年才能翻倍。如今需要的時間更長，量產(chǎn)芯片的關(guān)鍵尺寸從28納米降到14納米的過程，即便兩年也難以完成。

IBM研究中心主管蘇普拉蒂克·古哈表示，“可以肯定，摩爾定律會在未來10年內(nèi)結(jié)束。”

與摩爾定律相伴的，還有一條洛克定理。洛克曾為摩爾當過財務顧問。在他看來，為提高半導體芯片晶體管的集成度。半導體工廠的投建費用，要以每四年翻一倍的速度增加。

如今，一條28納米芯片生產(chǎn)線的投建費用已高達上百億美元。這使得芯片制造成為國際化產(chǎn)業(yè)，因為已沒有公司能一家獨立承擔起從設備研發(fā)到芯片制造的費用，甚至因人才、產(chǎn)業(yè)鏈等限制，一個地區(qū)都難以做到通吃。

人們當然愿意看到傳統(tǒng)計算機之外的新興計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但量子計算機目前的成就，只能說是邁出了一小步。