新型計算機中的“潛力股”

小芹

你覺得計算機會變得更小、更快和更聰明嗎？

可別忙著點頭——雖然幾十年來計算機一直飛速發(fā)展，但如今工程師們對此可不太樂觀。其實，傳統(tǒng)電子計算機的潛能已經(jīng)被發(fā)掘得差不多了，還好“柳暗花明”——很多研究人員正嘗試運用不同的科學原理來制造新一代計算機。下面咱們就來認識幾種頗具潛力的計算機“新星”吧。

容量超大的量子計算機

2019年9月，美國率先宣布，量子計算機開發(fā)成功，實現(xiàn)量子霸權。想必很多人聽到這個消息的反應是：“量子計算機”“量子霸權”，到底是啥？

所謂量子計算機，就是運用量子力學原理進行工作的計算機。它與傳統(tǒng)電子計算機的最大區(qū)別在于，電子計算機存儲信息的單位是比特，而量子計算機存儲信息的單位則是量子比特。計算機的運算法則是二進制，普通計算機的一個比特只能是0或1;而量子比特遵守量子世界的規(guī)則，一個量子比特可以同時既是0又是1，這就叫“量子疊加態(tài)”。以此類推，兩個量子比特就可以同時是00、01、10、11這4個值，也就是說兩個量子比特是兩個比特的信息容量的4倍。總而言之.由于量子疊加態(tài)的存在，N個量子比特的信息存儲量就是同樣數(shù)目比特的2的N次方倍。

美國的量子計算機含有53個量子比特，那么它可以同時表示幾個值？你不妨動筆算一下，答案是9 007 199 254 740 992個值，即53個量子比特的內(nèi)存是53個比特的9 007 199 254 740 992倍！巨大的信息容量意味著在處理復雜問題時能夠調用更多的計算資源，擁有更快的計算速度。

而量子霸權指的是，解決某一問題時，量子計算機的速度碾壓了傳統(tǒng)電子計算機。一臺量子計算機在200秒內(nèi)能完成如今最好的電子計算機花費一萬年才能解決的計算題。不過，這個計算題是為了做實驗專門設計的，沒啥實用價值。這也說明了量子計算機要完成它的霸業(yè)，還要等上很長時間。

快且節(jié)能的光子計算機

光子計算機就是用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子計算機中的電子進行運算，它的最大優(yōu)點就是快。

在電子計算機中，電子充當運輸數(shù)據(jù)的交通工具，而在光子計算機中，交通工具換成了光子。光子擁有宇宙間最快的速度——光速。如果把電子的速度比作牛車，那光子的速度就是F1賽車，而且光子這種運輸工具不用考慮“堵車”的問題。在電子計算機中，傳輸電子的通道寬度有限，電子只能排著隊挨個通過，而光子不一樣，它們可以互不干擾地一起通過。這聽起來或許有點匪夷所思，其實很好理解，你可以想象一下，兩束光線在某一點相交會相撞嗎？顯然不能，它們可以穿過對方然后沿著各自的道路繼續(xù)前進，光的這個特性可以幫我們大大提高信息傳輸速率。另外，光子計算機雖然做得多，但“吃”得少——它消耗的能量遠遠小于電子計算機。

光子計算機雖然這么厲害，但它可沒有像量子計算機那樣“野心勃勃”，不但不稱霸，還非常想與電子計算機做“好朋友”。201 7年，英國一家公司基于光子計算發(fā)明了一種協(xié)處理器，這種協(xié)處理器就是發(fā)揮光子計算的優(yōu)勢來協(xié)助傳統(tǒng)電子計算機提高工作效率。或許光子計算機和電子計算機真的可以達到雙贏呢。

可臥治病的DNA計算機

遺傳物質DNA也能用來做計算機？

一個計算機要具備3個功能一一貯存信息、處理信息以及將處理結果進行表達。DNA滿足了這3個條件，DNA本身就是用來貯存遺傳信息的物質，并且可以在生物酶的作用下被剪切、重組與復制，這個過程可以當作處理信息的過程。那么怎樣表達運算結果呢？其實每個人都是DNA運算的結果——我們長成什么樣都是由基因決定的。由此可見，DNA是制作計算機的理想材料。

最早的DNA計算發(fā)生在試管里。研究人員將生物酶放到含有DNA溶液的試管中，利用化學反應進行運算。但是DNA會在溶液中四處游動，這會導致計算錯誤。為了解決這個問題，研究人員發(fā)明了DNA計算機，就是將DNA固定在玻璃片、金屬片及高分子生物薄膜的表面上，以提高計算的穩(wěn)定性。DNA計算機的發(fā)展方向是制造出可以批量生產(chǎn)的DNA計算芯片，這可以讓DNA計算機從實驗室走向生活。

相比量子計算機和光子計算機，DNA計算機的優(yōu)點在于它可以直接植入人體，因為DNA本身就是生物大分子，與生物體有天然的親和力。利用DNA計算機，人可以隨時體檢，而且DNA計算機能根據(jù)檢測結果直接在體內(nèi)合成藥物來治病。

向人腦學習的類腦計算機

看了以上幾種新型計算機，你可能會感嘆計算機實在比人腦強太多了。但是，當你羨慕計算機記得多、算得快時，計算機也希望向我們?nèi)四X學習一項獨特的技能——面對復雜環(huán)境時隨機應變的能力，于是就有了類腦計算機。

類腦計算機就是可以像人腦那樣自主思考的計算機，其最大優(yōu)勢是可以根據(jù)不同環(huán)境自主靈活地處理問題。所以，類腦計算研究對人工智能的發(fā)展具有重大意義。

說起近期類腦計算的重大突破，要數(shù)清華大學的類腦計算芯片“天機芯”了。為了展示“天機芯”的性能，清華研究團隊將“天機芯”安裝在一輛自行車上，結果這輛自行車就像活了一樣。在實驗中，自行車可以根據(jù)人的口令做出反應，可以追蹤前方的行人，還可以分析路況并自動躲避障礙……總之，它成了一輛真正的“自行”車。

看了以上4種新型計算機，你覺得哪種最有潛力呢？