其二，集成度的提高所带来耗能与散热的问题反过来制约着芯片集成度的规模，传统硅芯片集成度的停滞不前将导致计算机发展的“性能极限”。研究表明，芯片耗能产生于计算过程中的不可逆过程。如处理器对输入两串数据的异或操作而最终结果却只有一列数据的输出，这过程是不可逆的，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。倘若输出时处理器能保留一串无用序列，即把不可逆转换为可逆过程，则能从根本上解决芯片耗能问题。利用量子力学里的相关理论，能把不可逆转为可逆过程，由此引发了对量子计算的研究。
高速运算的另一个秘密
量子计算之所以能快速高效地并行运算，除了因为量子态叠加性之外，还因为量子相干性。量子相干性是指量子之间的特殊联系，利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞，若观测到其中一电子是向左自转的，那么根据动量和能量守恒定律，另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的，则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体，对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态，正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算就缘于此。然而令人遗憾的是，量子相干性很难保持，在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可避免出错，但也只是发现和纠正错误，却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。因此，到达高效量子计算时代还有一段艰难曲折的路。
神秘的“量子”
什么是“量子”？它和“原子”、“电子”、“中子”这些客观存在的粒子一样也是一种物质实体吗？答案是否定的。“量子”不是一种粒子，而是一种观念或一种概念。“量子”一词来自拉丁语quantum，意为“多少”，代表“相当数量的某事”。在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续地变化。量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时只能处在一些特定的运动模式上，在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的，在经典物理学里所有的物理量都是连续变化的。上世纪初，物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但要坚持这个观点，就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点。然而，大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受这样的观点，将其发展起来，并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”，建立了如今的量子物理科学。
冲击传统密码学
密码通信源远流长。早在2500年前，密码就已广泛应用于战争与外交之中。随着历史的发展，密码和秘密通讯备受关注，密码学也应运而生。防与攻是一个永恒的话题，当科学家们如火如荼地研究各种加密之策时，破译之道也得以迅速发展。传统理论认为，大数的因式分解是数学界的一道难题，至今也无有效的解决方案和算法。这一点在密码学有重要应用，现在广泛应用于互联网，银行和金融系统的RSA加密系统就是基于因式难分解而开发出来的。然而，在理论上，包括 RSA 在内的任何加密算法都不是天衣无缝的，利用穷举法可一一破解，只需衡量破解与所耗费的人力物力和时间相比是否合理。但是，精通高速并行运算的量子计算一旦问世，萦绕人类很久的因式分解难题迎刃而解，传统密码学将受到前所未有的巨大冲击。但正所谓有矛必有盾，一套更为安全成熟的量子加密体系正应运而生。
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本文标题：量子计算机：决胜21世纪的利器
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