從活捉粒子看量子計算機
銳·聚焦
作者：劉林森
名詞解釋：
量子：在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的單位就叫做量子。
2030 年 4 月 10 日清晨，美國基因臨床醫學家沙朗·奧亞在自己位於芝加哥市郊公寓的精心嗬護下早早醒來。一整夜，床頭櫃中的精確傳感器都在監測她的呼吸、心律和大腦活動。盥洗室的水池已經分析過了她昨晚留下的一小滴血樣，了解自由基和癌前期細胞的情況。今晚，就會有一批合適的預防藥物送到她在亞特蘭大的旅館。這是一項昂貴的服務，都是量子計算機的傑作，但作為一名科學家，時時了解自己的健康狀態，奧亞認為是值得的。
她走進淋浴間，裏麵的瓷磚探測到她的出現，首先向她道賀：“生日快樂！”沙朗笑了，今天也是她 30 歲生日。巧的是，今天也是第一台量子計算機問世 20 周年紀念日。不過，她對量子位（最小的量子信息單位）誕生前的世界知之甚少。
早餐後她穿戴整齊，選了一頂時髦的卷邊草帽戴在頭上。量子計算技術使服飾行業出現了出人意料的複興：在帽沿周圍的緞帶裏，是沙朗的通訊中心和智能助理，它們已經瀏覽過她昨晚收到的 50 萬封電子郵件，並進行了分類。等她走到汽車前時，這個係統已經在她的大腦視覺皮層上播放了最重要的 10 封郵件和她的行程表。所有的文字都從她的視野上方向下滾動，直至在底端消失。
她的這輛氫燃料汽車知道今天會是一個反常的溫暖天氣。實際上，因為有了量子計算機的模擬係統，它5年前就已經知道今天的天氣了，汽車還會把天氣信息自上而下地滾動顯示給她看。沙朗開車上了高速公路，拐進智能道，疾馳而去。帽帶裏的智能係統為她放映父母發來的生日錄像和老板發來的經過高級加密的備忘錄。
機場沒有檢票口或警戒線。沙朗隻需要通過一扇旋轉門，它會檢查她是否攜帶了危險品，核對她的身份，確認機位預訂情況，然後將登機牌交給她，整個過程隻需要一秒鍾。她甚至不用費事去查看飛機是否準時，因為航班的模式就像天氣一樣可以計算，該機場5年來還沒有延誤過一次起飛。
在行李托運處，她看到一個熟悉的男子，頭上戴著一頂酷似猶太人的圓頂小帽般的智能帽。沙朗帽子上的緞帶已經開始工作了，閃出他的虛擬名片，旁邊是從穀歌搜索到的關於他的前 10 條記錄。“霍頓醫生，”她喊道，“真高興再見到你！”霍頓醫生的眼睛輕輕閃爍了幾下，隻有這個細節泄露了他也在搜索沙朗的詳細資料。“你好，奧亞小姐，”他說，“祝你今天過得開心。”沙朗露出燦爛的笑容，心裏默默地感謝那位量子計算機的創造者。
以上描述顯然還是科幻小品裏的情景，但人造衛星、登月計劃以及最原始的微處理器也曾經都是科幻小說中才有的東西。然而，對於處於量子計算技術領域前沿的科學家來說，上麵的情景還是比較保守的預測。“真正的計算技術時代甚至還沒開始，”全球電腦商巨頭惠普公司的科研專家斯坦·威廉斯說，“我們現在擁有的隻不過是一些小玩具，比算盤高明不到哪兒去。我們麵臨的挑戰是盡可能接近物理學的基本定律。”
發現量子
1900年，諾貝爾物理學獎的獲得者、德國物理學家馬克斯·普朗克在對熱輻射的研究中第一個窺見了量子。這一年的12月14日，普朗克宣布了他的偉大發現——能量量子化假說。根據這一假說，在光波的發射和吸收過程中，發射體和吸收體的能量變化是不連續的，能量值隻能取某個最小能量元的整數倍，這一最小能量元被稱為“能量子”。普朗克的能量子概念第一次向人們揭示了微觀自然過程的非連續本性，或稱為量子本性。