何淑贞 / He Shuzhen 王日远 / Wang Riyuan

人类技术进步总是在科学的幻想中发展，现在科学家们幻想着研制一种新型计算机，并建立一种新奇的网络。新型计算机采用量子作为工作的基础，计算速度超过当前任何的理论计算速度，这种计算机称为量子计算机；新奇的网络能够传输宇宙间最奇特的物质，其传输速度如同“心灵感应”，这种网络叫量子互联网，传输的奇特物质称为“缠结”信息。

　　量子计算机、量子通信技术是近十几年来发展起来的新技术，当前正处于从实验室走向实用的阶段。

　　1 量子计算机

　　计算机面世50多年来，性能提高了约10亿倍。在取得这一巨大成就的同时，也意味着按老的方式提升计算机性能的方法已快走到了尽头。人们寄希望于新的技术突破，量子力学和计算机理论相结合的产物——量子计算机由此应运而生。

　　1.1 量子与量子力学

　　1.1.1 量子

　　微观世界的某些物理量不能连续变化而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子。普朗克在1900年研究黑体辐射时，首先发现了自然现象中的这种不连续的量子性质，并认为物质吸收或发射辐射能量时能量分化为量子的现象只是普遍自然规律中的一种。同某种场联系在一起的基本粒子可称为这一场的量子，其大小为hv(其中h为普朗克常数，v为辐射的频率)，例如电磁场的量子就是光子。每一种量子的数值都很小，所以在较大物体的运动中量子化效应不发生显著影响，各量犹如连续变化一样。但是，对电子、原子等微观运动来说，这种量子化效应就不能忽略，牛顿力学对它们已不适用，必须代之以量子概念发展起来的量子力学。

　　1.1.2 量子力学

　　自1897年发现电子是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘。人们逐渐弄清了原子的结构及其运动变化的规律，认识了微观粒子的波-粒二象性，建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系——量子力学。量子力学已成为当代物理学理论中的一大支柱，有力地推动了一些学科和技术的发展。由于量子力学的理论和实验相当复杂，这里只将与本文相关的概念加以简介。

　　(1)普朗克量子假说

　　1900年普朗克发表能量子假说。普朗克假设：辐射物质中具有带电的线性谐振子(如分子、原子的振动可视作线性谐振子)，由于带电的关系，线性谐振子能够和周围的电磁场交换能量，这些谐振子与古典物理学中所说的不同，只可能处于某些特殊状态，在这些状态中，相应的能量是某一最小能量的整数倍。在能量观念上，普朗克的量子假说与物理学经典理论有着本质上的区别。在经典的热力学理论和电磁场理论中，能量是连续的，物体所发射或吸收的能量可以是任意的量值。按着普朗克的量子假说，能量是不连续的，存在着能量的最小单元(hv)，物体发射或吸收的能量必须是这个最小单元的整数倍，而且是一份一份地按不连续方式进行的。

　　(2)爱因斯坦光子假说

　　1905年，爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，进一步提出关于光的本性的光子假说。爱因斯坦认为：光不仅像普朗克已指出过的，在发射和吸收时，具有粒子性，而且光在空间传播时，也具有粒子性，即光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，也称为光子，每一个光子的能量是e=hv(h是普朗克恒量，v是频率)，不同频率的光子具有不同的能量。光的能流密度S(即单位时间内通过单位面积的光能)决定于单位时间内通过单位面积的光子数n，频率为v的单色光的能流密度为S=nhv。

　　(3)光子的波-粒二象性

　　a. 光子的能量、质量和动量

　　每个光子的能量是e=hv，按照相对论的质量-能量关系式，每个光子的质量：
　　m=e/C2 =hv/C2
　　又因光子具有一定的运动质量和速度C，相应的光子也有动量：
　　mC=hv/C=h/λ
　　 式中λ为波长。

　　b. 光子的波-粒二象性

　　由爱因斯坦光子假说可知，光不仅具有波动性，而且具有粒子性，关于光的波动性和粒子性相互并存的性质，称为波-粒二象性，光子的运动既可以用动量、能量来描述，也可用波长、频率来描述。在有些情况下，其粒子性表现突出些；在另一些情况下，又是波动性表现的突出些。

　　1.2 量子计算机

　　1.2.1 量子计算机的概念

　　在人类即将跨入21世纪之际，信息科学面临到新的挑战。计算机是否存在极限的运算速度？能否实现不可破译、不可窃听的保密通信？诸如此类的问题一直是数学家和电子技术专家们关注的重要课题。近年来，物理学家加入到这个研究行列中，他们成功地将量子理论和信息科学结合起来，提出许多令人耳目一新的概念、原理和方法，于是“量子信息”作为新兴的学科分支便应运而生。当前量子计算机、量子通信和量子密码术的研究已经成为热点，并取得重要进展，其中较为成熟的量子密码技术估计在5～10年内可实际应用。量子力学和计算机理论，这两个看起来互不相关领域的结合产生了一门新的学科：量子计算机。

　　支持现有计算机的半导体技术把电子视为粒子，作为其工作的基础。然而电子和光子一样具有波?鄄粒二象性。当其活动空间较大时，的确可以把它当作粒子对待而忽略其波动性。一旦活动空间减小，例如，当集成电路线宽小于0.1 μm(目前已达到0.13 μm，3～5年后便可达到0.1 μm)时，其波动性质便不可忽略。当10年后，集成电路线宽降到0.07 μm甚至0.05 μm，即50 nm时，器件工艺将达到纳米数量级，现在的半导体器件原理就不再适用。纳米范围内的新器件，如单电子晶体管、量子器件、分子器件等，统称为纳电子器件。21世纪上半叶，纳电子器件将会逐步占领市场，其集成度和性能将成千上万倍地提高，届时，信息技术将从微电子时代发展到纳电子时代，所以说21世纪将是纳电子时代。由此引发的工作原理建立在量子力学基础上的计算机便是量子计算机，量子计算机将是纳电子时代的重要产品。

　　现有的电子计算机是以晶体管的“开”和“关”状态来表示二进制的0和1。以原子或分子为基本结构的量子计算机存储信息则基于量子位。也就是说，利用粒子的向上和向下自旋来分别代表0和1。

　　量子计算机的独特之处在于，处于量子状态的粒子能够进入“超态”，即同时沿上、下两个方向自旋。这一状态可代表1、0以及中间的所有可能数值。因此，量子计算机可以不像常规计算机那样按顺序把数值相加，而是能够同时完成所有数值的加法。这一特点使得量子计算机具有强大的功能。使用数百个串接原子组成的量子计算机可以同时进行几十亿次运算。

　　量子计算机突出的优点有两个。一是能够实现量子并行计算，加快解题速度。例如：现在计算机领域广泛使用的远地面告警等公开钥密系统，就是以巨大数的质因子分解极为困难作为前提而设计出来的。一个400位长的数字要对其进行因子分解，即使使用世界上最快的巨型机也要用10亿年时间，而人类的历史才仅仅300多万年。但若用量子计算机求解，有1年左右的时间便可完成。二是n个量子位可存储2n个数据，大大提高了存储能力。在现有计算机上，数据用二进制位存储，每位只能存储一个数据，非0即1。而在量子计算机中采用量子位存储，由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。这就是说量子位存储的内容可以是0和1的叠加。由于一个二进制位只能存储一个数据，所以几个二进制位就只能存储几个数据。而一个量子位可以存储2个数据，所以n个量子位就可以存储2n个数据。这样，便大大提高了存储能力。量子计算机的弱点一是受环境影响大，二是纠错不容易。

　　科学家们指出，量子计算将始于“摩尔定律”终结处。按照著名的“摩尔定律”来推算，随着电路板蚀刻精度越来越高，中央处理器芯片上集成的晶体管器件越来越密，现有芯片制造方法将在未来10多年内达到极限，无法突破到分子以下的尺度。这一极限大约出现在2020年。为此，世界各国的研究人员正在加紧开发新型计算机。除量子计算机外，生物计算机和光计算机等也代表着未来计算机的发展方向。

　　科学家预言量子计算机将在5年内问世。量子计算机能利用粒子自旋的特殊性质，快速处理大量的信息，运算速度将大大超过现有电脑，并将采用新的运算方式解决传统计算机不能解决的一些问题，目前复杂的数学难题在量子计算机面前有可能迎刃而解。

　　1.2.2 量子计算机研究的进展情况

　　根据目前正在开发中的量子计算机看，量子计算机有3种类型：核磁共振(NMR)量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。

　　(1)核磁共振量子计算机

　　在核磁共振量子计算机方面，美国麻省理工学院和英国牛津大学都开发出了自己的样机，前者叫“堆积式”量子计算机，后者叫“咖啡杯”计算机。

　　(2)硅基半导体量子计算机

　　硅基半导体量子计算机也取得了进展，已成功制成由两个称为量子箱的微细半导体微粒放在一起从而实现使两个原子共享电子的类似于分子键的人工分子，它作为今后实现量子计算机的一种基础技术，正受到人们的注意。因为它和现有计算机一样，都是建立在硅半导体技术基础上的，所以能够借鉴以往更多的成熟经验，因此也更具有吸引力。

　　(3)离子阱量子计算机

　　离子阱量子计算机则是把一系列自旋(基本粒子和原子核的属性之一，相当于它们固有的动量矩)为1／2的冷离子禁锢在线性量子势阱里，组成一个相对稳定的绝热系统。同核磁共振计算机不同，这种量子计算机由激光来实现自旋翻转的“控制非”操作。由于在这种系统中很容易在任意离子间实现n位量子门，所以具有光明的前景。

　　目前，美国国际商用机器公司(IBM)、斯坦福大学和卡尔加里大学科学家联合研制出了世界上最先进的量子计算机，并首次证明这类装置有明显快于常规计算机的运算潜力。领导该研究的IBM科学家伊萨克·张 2000年8月15日在宣布该成果时说，这种量子计算机使用了5个原子作为处理器和内存。研究人员对该量子计算机实验机型进行了测试，用它来确定一个函数的周期。测试结果发现，量子计算机能够只需一步就解决任何一个例题，而常规计算机完成相同的工作却需要多次循环运算。伊萨克·张认为，量子计算机有望应用于广泛的领域。用它来进行数据库检索，将会大大提高网上搜索速度。量子计算机也可被用来设置或破译密码，提高天气预报准确性，模拟化学反应以加快新药的研制等。他预测说，在今后两年中将诞生7～10个原子的量子计算机。

　　日本将在未来10年内投资400亿日元实施“量子通信技术”计划。研究课题包括无法破译的密码技术、量子通信所需要的超高速计算机和量子传输技术。计划在2020年—2030年前后使保密通信网络和量子通信网络技术达到实用化水平。

　　2 量子互联网

　　2.1 量子互联网的概念

　　建立一个产生、储存和传输“缠结”信息的网络，是向开发一种科学幻想家虚构的远距离传输系统迈出的第一步。利用这种“缠结”信息还能制造超快速量子计算机，并把它们连接成量子互联网，为互联网发展开辟新途径。

　　2.1.1 “缠结”信息

　　所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间类似“心灵感应”的神奇连接，即使粒子分别位于宇宙空间遥远的两边，这种连接都能以极快的速度使其连接。“缠结”信息已经用于量子密码翻译、极小规模的量子计算和远距离传输等方面。

　　2.1.2 量子互联网

　　根据“缠结”的原理，可以将量子计算机连接起来，构成功能强大的量子互联网。如果“缠结”的信息能够通过量子互联网被瞬间传输到全球各个角落，那量子互联网将引发计算、通信和人类认识宇宙的新革命。

　　2.2 量子互联网的理论与研究进展

　　2.2.1 量子互联网的理论

　　实现量子互联网需要香浓理论的突破，所谓香浓理论是指贝尔实验室的香浓在1940年奠定的经典信息论的基础。香浓理论解决了任何通信信道的理论容量，即沿着通信信道能够可靠传输最大数量信息的问题，并阐述了有效传输信息的压缩技术。但是，香浓理论只应用于经典信息论，量子“缠结”信息的出现，使香浓理论面临新的问题，要求香浓理论有所突破，为量子互联网的发展开辟道路。目前需要解决量子信息奇特的脆弱性和量子“缠结”信息古怪特性的问题。

　　(1)量子信息的脆弱性

　　建立量子互联网面临的一个问题是量子粒子的脆弱性(容易丢失信息)，也就是说，只要能看到量子粒子，它就有了被破坏的可能性。这个问题不仅涉及能够存储的信息数量，而且还涉及能够检索的信息数量。解决这个问题的办法是测量量子，通过测量，掌握量子的变化特性。

　　(2)量子“缠结”信息的特性

　　经典信息论是“0”和“1”组成的序列，通过改变导线上的电压可以实现这种序列编码。在一定的电压电平之上是“1”，反之则是“0”。

　　量子粒子(如光子)中的部分信息的编码则具有完全不同的特点。光子在同一时间有两种或多种存在状态。例如：能够将光子的电场加以滤波，这样它就在一个特定的平面产生极化振荡。当振荡平面变成垂直极化时，此平面称为“0”，当振荡平面变成水平极化时，此平面称为“1”。然而，由于“量子叠加”，光子可能同时垂直和水平极化，可能同时为“0”和“1”。“缠结”粒子的奇妙之处在于测量一对粒子中的一个，便能确定另一个的测量结果，而不管这两个粒子相距多远。这种在时间和空间内魔术般地连接的两点，充分说明了“缠结”信息的含意，意味着“缠结”将会给未来的网络通信带来巨大的变化。

　　2.2.2 量子互联网的研究进展

　　1992年IBM公司和TelAviv大学的研究人员研究认为，“缠结”对量子信道的容量有极大的影响，目前发现至少可将信道容量提高一倍。这是因为在量子信道中传输的每个光子都可能有水平和垂直两种状态，所以把一对光子连接在一起，就可能变成4种状态。利用“缠结”技术，一个光子可以发送2位信息，从而使信道容量提高一倍。这种现象称为量子超密集编码。现在，应用“缠结”技术又有新进展，研究人员开始研究粒子3重“缠结”和4重“缠结”，能使粒子实现更多的组合状态，可以使量子信息以极快的速度通过互联网络。

　　但只有传输速度没有传输质量也不行。这种极快的信息传输速度要建立在纠正可能出现的错误之上。由于量子“缠结”状态是脆弱的，任何外力都可能产生破坏作用，以致许多物理学家误认为不可能可靠地传输量子信息。但是在最近，IBM和微软的两位研究人员对量子“缠结”状态的脆弱性问题提出了完善的解决方案，其解决方案是利用执行量子计算的软件来保护量子信息，使量子信息不会产生错误。

　　2.3 量子互联网的发展计划

　　1997年奥地利的因斯布鲁克大学的研究人员提出了第一个量子互联网计划。2000年3月美国麻省理工学院和马萨诸塞州林肯空军研究室的研究人员提出了更加接近实现量子互联网的设想。他们的设想是生成一对光子，并沿着2条光纤传输，即一个光子传输给甲地的研究人员，另一个传输给乙地的研究人员。甲乙两地的研究人员都拥有包含超冷却原子的激光俘获器，而原子能吸收光子。研究人员可以确定原子何时吸收光子而不会干扰它，并在原子吸收“缠结”的一对光子时检查甲乙两地研究人员能够同时发现吸收的光子。当确定原子确实吸收光子时，原子本身也就变成了“缠结”的粒子。当原子没有电荷时，它们不受电场和磁场的影响，这样就容易保护“缠结”的粒子不受外力的影响。美国陆军已向麻省理工学院的一项研究计划投资数百万美元，以加速量子互联网的研究开发。麻省理工学院发布了建立量子互联网的详细计划，并宣布现在建立量子互联网的技术已具备，该计划打算在3年内建成量子互联网，并首先在麻省理工学院建立3个节点。因此，业界人士分析，全球量子互联网的实现将指日可待。

[摘要] 计算机由电子管计算机发展到晶体管计算机，再由晶体管计算机走向更高层次的量子计算机；互联网由电联网发展到光联网，再由光联网走向更高层次的量子联网。文章通过量子力学原理和量子“缠结”理论描述了量子计算机与量子互联网的概念，并介绍了量子计算机与量子互联网的研究情况。

[关键词] 量子；缠结；计算机；互联网

[Abstract] The computer has been developed at a tremendous pace from the vacuum tube computer to the transistor computer, and the more advanced Quantum Computer is expected to be invented in the near future. Developed from electronic networking, the optical networking is pacing towards the high-level quantum networking. Based on the principle of quantum mechanics and the tangle theory of quantum, the paper describes the concepts of quantum computer and quantum Internet, and also presents their research advances.

[Keywords] Quantum; Tangle; Computer; Internet