其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規模，傳統硅芯片集成度的停滯不前將導致計算機發展的“性能極限”。研究表明，芯片耗能產生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的數據信號必然會產生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學里的相關理論，能把不可逆轉為可逆過程，由此引發了對量子計算的研究。
高速運算的另一個秘密
量子計算之所以能快速高效地并行運算，除了因為量子態疊加性之外，還因為量子相干性。量子相干性是指量子之間的特殊聯系，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那么根據動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯系就是量子相干性。可以把量子相干性應用于存儲當中。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一發而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算就緣于此。然而令人遺憾的是，量子相干性很難保持，在外部環境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術可避免出錯，但也只是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時代還有一段艱難曲折的路。
神秘的“量子”
什么是“量子”？它和“原子”、“電子”、“中子”這些客觀存在的粒子一樣也是一種物質實體嗎？答案是否定的。“量子”不是一種粒子，而是一種觀念或一種概念。“量子”一詞來自拉丁語quantum，意為“多少”，代表“相當數量的某事”。在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種傾向：物質或者說粒子的能量和其他一些性質都傾向于不連續地變化。量子物理學告訴我們，電子繞原子核運動時只能處在一些特定的運動模式上，在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。實際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續地、離散地變化。這樣的觀點和經典物理學的觀點是截然不同的，在經典物理學里所有的物理量都是連續變化的。上世紀初，物理學家普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。但要堅持這個觀點，就意味著背叛經典物理學。保守的普朗克最終放棄了這個觀點。然而，大量的實驗事實迫使物理學界迅速地接受這樣的觀點，將其發展起來，并結合其他一些公設如“量子態疊加原理”，建立了如今的量子物理科學。
沖擊傳統密碼學
密碼通信源遠流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應用于戰爭與外交之中。隨著歷史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恒的話題，當科學家們如火如荼地研究各種加密之策時，破譯之道也得以迅速發展。傳統理論認為，大數的因式分解是數學界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用于互聯網，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基于因式難分解而開發出來的。然而，在理論上，包括 RSA 在內的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只需衡量破解與所耗費的人力物力和時間相比是否合理。但是，精通高速并行運算的量子計算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，一套更為安全成熟的量子加密體系正應運而生。
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本文標題：量子計算機：決勝21世紀的利器
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