主题：【科普知识】光 子 计 算 机 -- 不爱吱声

纳 米 技 术

物 质 将 成 为 软 件 。 不 是 印 错 了 ， 物 质 的 确 将 成 为 软 件 。 其 结 果 是 我 们 不 但 能 用INTERNET 下 载 软 件 而 且 也 能 下 载 硬 件 。 这 是 美 国 五 角 大 楼 资 助 的 研 究 中 心MITRE CORP 纳 米 （1 纳 米=1E-9 米 ） 技 术 权 威JAMESC. ELLENBOGENR 的 惊 人 之 语 。

纳 米 技 术 是 制 作 尺 度 小 于 数 百 纳 米 的 物 体 的 技 艺 。 它 的 宽 度 相 当 于 几 十 个 原 子 排 在 一 起 的 长 度 。 把 制 造 技 术 缩 小 到 这 种 程 度 ， 对 制 造 业 的 含 意 是 相 当 清 楚 的 ： 整 个 生 产 过 程 可 能 被 打 碎 重 来 。 它 将 从2010 年 由 半 导 体 产 品 开 始 ， 然 后 扩 展 到 其 它 精 致 产 品 的 制 造 ， 如 蜂 窝 电 话 中 的 电 子 器 件 。

Ellenbogen 为 物 质 是 软 件 这 个 设 想 提 出 了 发 人 深 思 的 理 由 。 他 解 释 说 ： “ 想 一 想 你 现 在 下 载 软 件 时 发 生 的 事 情 。 你 是 通 过 改 变 分 子 簇 的 磁 性 排 列 重 新 安 排 磁 盘 上 的 材 料 构 造 。 ” 如 果 计 算 机 的 内 脏 不 大 于 那 些 分 子 簇 ， 你 就 可 以 重 新 安 排 分 子 来 制 造 芯 片 。Ellenbogen 说 ： “ 研 究 人 员 已 经 在 忙 于 研 究 针 尖 那 样 大 小 的 计 算 机 ， 而 这 些 纳 米 计 算 机 的 零 部 件 比 我 们 现 在 为 了 在 磁 盘 驱 动 器 上 存 储 信 息 所 处 理 的 物 理 构 造 小 得 多 。 因 此 ， 总 有 一 天 ， 正 如 我 们 现 在 下 载 软 件 那 样 可 以 从 网 上 下 载 硬 件 。 ”

斯 坦 福 大 学 和 康 奈 尔 大 学 的 两 个 小 组 正 在 做 这 些 基 础 工 作 ， 他 们 的 工 作 是 建 立 在 十 年 经 验 的 基 础 上 的 ， 他 们 用 隧 道 扫 描 电 子 显 微 镜 和 有 关 的 工 具 来 移 动 原 子 。 第 一 个 成 果 出 现 在1990 年 ， 那 次 是IBM Almaden 研 究 中 心 的 物 理 学 家Donald Eigler ， 他 用35 个 氙 原 子 在 镍 板 上 “ 写 ” 了 “IBM ” 。

Ellenbogen 说 ： “ 一 旦 我 们 有 了 能 制 造 比 盐 粒 还 小 的 计 算 机 的 技 术 ， 我 们 就 能 够 打 开 新 局 面 。 ” 那 样 小 的 计 算 机 将 是 非 常 便 宜 的 ， 因 而 它 们 将 到 处 应 用 ： 内 衣 里 的 计 算 机 将 告 诉 洗 衣 机 水 温 应 该 是 多 高 圆 珠 笔 的 墨 汁 将 要 用 完 的 时 候 能 闪 烁 报 警 你 的 鞋 能 让 你 的 汽 车 知 道 你 正 在 走 近 ， 让 它 调 整 座 位 和 反 光 镜 并 打 开 门 锁 。

但 “ 物 质 是 软 件 ” 这 个 活 动 领 域 的 “ 大 满 贯 ” 是 纳 米 盒 。 这 是 一 种 未 来 的 复 制 机 器 ， 它 把 纳 米 技 术 创 造 与 现 在 的 所 谓 桌 上 制 造 方 法 结 合 起 来 ， 主 要 用 于 快 速 制 造 新 产 品 的 样 机 。 如 果 你 想 要 一 部 新 蜂 窝 电 话 ， 你 可 在 网 上 买 个 制 作 方 法 ， 它 将 告 诉 你 插 入 一 片 塑 料 并 把 导 电 分 子 注 入 色 粉 盒 。 纳 米 盒 将 来 回 传 送 塑 料 板 、 记 下 分 子 排 列 图 形 ， 然 后 用 电 气 方 法 指 导 它 们 把 自 己 组 装 成 电 路 和 天 线 。 下 一 步 ， 纳 米 盒 使 用 不 同 的 色 粉 增 加 一 个 袖 珍 键 盘 、 扬 声 器 和 话 筒 ， 最 后 制 造 机 壳 。

在2020 年 以 前 不 要 指 望 这 些 精 致 的 小 东 西 。 第 一 次 下 载 纳 米 级 计 算 机 电 脑 的 试 验 不 会 比2005 年 早 很 多 。 其 后10 年 ， 纳 米 制 造 系 统 可 能 是 “ 重 写 物 质 ” ― ― 初 期 生 产 芯 片 。

以 纳 米 技 术 为 目 标 的 具 体 进 展 今 年7 月 出 现 了 叫 作 纳 米 电 子 技 术 分 支 。 洛 杉 矶 加 州 大 学 和HP 实 验 室 的 一 个 小 组 公 布 了 一 个 用 分 子 自 组 装 制 造 的 所 谓 逻 辑 门 。HP 实 验 室 研 究 员Philip Kuekes 说 ： “ 下 一 步 ， 该 小 组 将 缩 小 芯 片 的 导 线 ， 目 的 是 要 在 边 长100 纳 米 的 区 域 内 创 造 芯 片 。 目 前 ， 使 芯 片 制 造 如 此 昂 贵 的 原 因 是 要 求 极 高 的 机 械 精 度 。 但 采 用 化 学 方 法 ， 我 们 就 能 像Kodak 生 产 胶 片 那 样 制 造 芯 片 ― ― 作 成 长 卷 并 切 成 小 块 。 ”

这 个 概 念 已 经 引 起 了 华 盛 顿 的 注 意 。 七 个 月 前 ，ARPA （ 美 国 高 级 研 究 计 划 署 ） 公 布 了 一 项 分 子 电 子 技 术 计 划 。 美 国 国 会 似 乎 急 于 在 纳 米 技 术 研 究 上 加 大 投 入 ， 有 一 个 要 把 目 前2 。32 亿 美 元 的 预 算 在 今 后 三 年 增 加1 倍 的 计 划 。 白 宫 会 继 续 进 行 下 去 ， 因 为 它 将 纳 米 技 术 列 为11 个 关 键 研 究 领 域 之 一 。

Ellenbogen 研 究 组8 月 中 公 布 的 最 新 成 就 是 帮 助 组 装 纳 米 制 造 系 统 的 微 型 机 器 人 的 设 计 。 目 前 它 的 长 度 将 近5 毫 米 或1/6 英 寸 。 但 估 计 这 种 机 器 人 是 用 纳 米 制 造 技 术 来 制 造 不 断 缩 小 的 机 器 人 的 。 最 终 ， 它 们 可 能 比 灰 尘 微 粒 还 要 小 。

这 样 小 的 机 器 人 可 实 现Eric Drexler 关 于 能 处 理 单 个 原 子 的 纳 米 机 器 人 的 幻 想 。 这 位Fore Sight Institute 的 始 创 始 人 在 他1986 年 出 版 的 《Engine of Creation( 创 造 的 发 动 机) 》 一 书 中 对 纳 米 技 术 的 潜 力 作 了 饶 有 趣 味 的 描 绘 。 实 质 上 是Drexler 开 创 了 纳 米 技 术 时 代 并 激 起 这 些 幻 想 ： 大 群 的 看 不 见 的 纳 米 机 器 人 在 地 毯 上 和 书 架 上 走 来 走 去 ， 把 灰 尘 拆 解 成 原 子 ， 再 把 原 子 重 新 构 成 餐 巾 、 肥 皂 或 任 何 其 它 东 西 ， 其 中 包 括 纳 米 计 算 机 。

虽 然 用 一 个 个 原 子 制 造 计 算 机 还 是 遥 远 的 梦 ， 但Ellenbogen 希 望 速 成 。 他 说 ： “ 在 近 期 ， 我 把 赌 注 押 在 分 子 电 子 技 术 上 ” 。 这 似 乎 是 个 很 好 的 纳 米 赌 博 。

生物计算机：摸得着的未来

硅元素与计算机的关系如此密切，以至于大多数人可能更容易将它与加利福尼亚的高技术谷而不是元素周期表联系起来。但是随着高速运算超越芯片和机器的局限，将试管、承物玻璃片、溶液甚至脱氧核糖核酸( DNA)等生物化学和遗传学工具包括在内，这种想法可能很快就要做出根本性的修正了。

DNA的吸引力

每一种有机生命体中都存在着DNA，这种分子作为一种超级计算机装置的吸引力在于其已经得到证实的存储大量信息的能力――事实上复制生命所需的全部指令都存储在 DNA中。尽管这种化学物质不会在短期内取代个人计算机，但是科学家组成的两个研究小组上个月已经向人们演示了这些满载信息的分子也许可以通过怎样的方式，在未来的计算机中执行计算任务。

今年1月，威斯康星大学的科学家在《自然》杂志上发表研究报告指出，他们已经发现了一种利用附着在镀金物体表面的 DNA分子链完成简单计算的方法。以前科学家在进行 DNA计算实验的时候总是让 DNA分子自由地漂浮在试管中，但是威斯康星大学研究小组的负责人、化学家劳埃德?史密斯希望他的方法可以让计算所需的化学湿选步骤自动进行。史密斯在谈到自己的实验时指出：“这是按比例放大 DNA的运算能力以解决更大问题的途径。”

国际象棋和化学

普林斯顿大学生物学家劳拉?兰德韦伯领导的另一个研究小组报告了一种利用核糖核酸( RNA，DNA的一种化学同类物)完成类似计算的方法。为了证明他们的技术确实行得通，兰德韦伯的研究小组利用只NA分子对解决一个经过简化的传统象棋难题(被称为“马问题”)的方案进行了计算。计算机必须决定棋手可以将“马”放在棋盘的哪些位置上才能使这些“马”无法相互攻击。科学家让每一条 RNA分子链代表一种可能出现的“马”在棋盘上的布局。然后，他们在试管中完成了一系列的实验步骤――用化学药品排除那些代表错误答案的 RNA分子链，随后他们又对剩下的 RNA分子链进行分析，看看它们是否全都与正确的答案相对应。假定“正确”的分子链中有近98％确实与正确的棋子布局相对应――这一成功率对于一项初步实验来说高得有些令人吃惊。

目前，利用个人计算机进行此类运算仍然比使用生物计算机快得多。但是，硅芯片计算机之所以会具有不可思议的运算能力，只不过是因为它能够以电流的速度一个一个地检验所有可能解决问题的方案。因为 DNA拥有存储信息的能力――几克 DNA也许就可以存储这个世界上已知的所有信息――所以一些科学家认为这种生化物质最终将会成为效率最高的存储和处理信息的媒介。但是与传统计算机相比，DNA计算机真正的优势在于它可以同时对整个分子库里的所有分子(或答案)进行处理，而不必按照次序一个一个地分析所有可能的答案。

硅材料不会退出舞台

尽管兰德韦伯对这种技术将来可以达到100％准确率的能力持乐观态度，但是她与其他研究人员很快就指出，与传统运算方法相比，他们研究的课题还处于刚刚起步的阶段，而且对于许多应用领域来说，硅树料制成的微芯片总是会略胜一筹。生物分子运算研究协会会长、杜克大学计算机科学家约翰?赖夫指出：“硅运算技术不会退出历史舞台，硅运算技术的应用也―样。”

生物计算机研究领域里的大多数研究人员都认为，他们真正需要的是一个特别适合 DNA运算技术解决问题方式的“非常能够说明问题”的应用领域。此类现实世界中的问题可能会涉及大量军事信息的加密，或者关系到硅运算技术和 DNA运算技术在某种程度上的结合。

电 子 可 算 是 令 人 讨 厌 的 高 尔 夫 球 了 。 它 们 的 行 为 的 确 是 过 份 乖 僻 。 当 一 个 高 尔 夫 球 滚 过 草 地 停 下 来 的 时 候 ， 它 或 者 地 洞 里 或 者 不 在 洞 里 。 而 电 子 则 不 同 ， 在 某 一 时 刻 ， 它 在 很 多 地 方 ― ― 在 洞 里 、 在 洞 旁 边 以 及 在 草 地 的 边 缘 ， 都 有 可 能 出 现 。 和 所 有 微 观 粒 子 相 似 ， 一 个 电 子 的 行 为 处 于 一 种 朦 胧 的 “ 电 子 云 ” 中 。 你 不 可 能 每 时 每 刻 确 定 它 所 在 的 位 置 。 用 量 子 力 学 ， 我 们 能 算 出 电 子 呆 在 一 个 指 定 地 点 的 概 率 。 但 在 某 个 东 西 作 用 于 它 之 前 ， 电 子 不 会 呆 在 一 个 地 点 。 这 种 不 守 规 则 的 偶 然 与 不 精 确 相 结 合 将 破 坏 一 场 “ 高 尔 夫 球 赛 ” 。 但 物 理 学 家 和 计 算 机 科 学 家 正 在 发 现 他 们 能 利 用 电 子 的 量 子 特 性 来 破 解 那 些 长 期 以 来 认 为 不 能 解 决 的 问 题 。 由 此 产 生 的 性 能 卓 越 的 量 子 计 算 机 ― ― 可 能 在 大 约15-20 年 出 现 ― ― 将 加 速 发 现 新 药 、 使 气 象 预 报 人 员 准 确 地 报 告 天 气 、 帮 助 芯 片 厂 商 设 计 现 在 不 可 以 设 计 的 复 杂 电 路 （ 遗 憾 的 是 量 子 计 算 机 强 大 的 计 算 性 能 也 将 使 黑 客 能 破 译 现 有Internet 上 保 护 安 全 通 信 的 密 码 。 ）

今 天 的 计 算 机 仍 然 是 用ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator, 电 子 数 字 数 学 积 分 器 和 计 算 器) 计 算 机 在1945 年 用 的 周 样 方 法 解 决 问 题 。 它 一 步 步 地 执 行 指 令 。 它 的 忠 心 耿 耿 已 把 人 类 从 单 调 乏 味 的 数 学 计 算 机 中 解 放 出 来 ， 给 通 信 、 娱 乐 和 科 学 研 究 带 来 了 变 化 ， 这 是ENIAC 的 发 明 家 们 做 梦 也 没 想 到 的 。

但 它 们 的 尽 职 尽 责 也 就 是 它 们 的 无 所 作 为 ， 因 为 ， 很 多 重 要 的 问 题 都 不 能 靠 遵 循 规 则 来 有 效 地 解 决 。 例 如 ， 要 在 一 个 不 按 字 母 顺 序 排 列 的 电 话 簿 上 查 一 个 名 字 ， 一 台 普 通 计 算 机 必 须 每 次 查 一 个 在 册 姓 名 看 看 是 否 相 符 。 对 于 一 个 足 够 大 的 “ 电 话 簿 ” ― ― 比 如 说 人 类 基 因 的 全 部 可 能 组 合 的 数 据 库 ― ― 这 个 尝 试 的 过 程 ， 即 使 在 最 快 的 巨 型 机 上 也 要 用 几 个 世 纪 。 这 是 因 为 任 何 普 通 计 算 机 都 必 须 用 一 系 列 的 “0 ” 和 “1 ” 来 代 表 一 个 在 册 姓 名 。

相 反 ， 一 个 量 子 计 算 机 可 同 时 检 查 所 有 在 册 姓 名 ， 用 量 子 “ 高 尔 夫 球 ” 取 代 开 和 关 。 方 法 是 这 样 的 ： 如 果 一 个 球 在 洞 内 ， 让 我 们 把 它 叫 作1 ， 在 洞 外 叫 作0 。 利 用 量 子 粒 子 的 “ 到 处 都 可 能 出 现 ” 的 性 质 ， 我 们 不 需 要 把 每 个 球 叫 作1 或0 。 相 反 ， 我 们 可 以 给 它 指 定 个 概 率 ， 比 如 说 它 有50% 的 机 会 在 洞 里 ，50% 在 洞 外 。 当 这 些 概 率 对 半 的 量 子 球 足 够 多 时 ， 我 们 可 以 表 达 电 话 簿 里 所 有 的 姓 名 。

这 就 是 给 量 子 计 算 机 的 输 入 ― ―10 亿 或 更 多 的 名 字 ， 每 个 名 字 都 用 相 同 的 概 率 表 示 。 计 算 机 程 序 推 进 和 形 成 概 率 “ 云 ” ， 同 时 检 查 所 有 在 册 的 名 字 来 寻 找 要 找 的 名 字 。 量 子 计 算 编 程 人 员 的 任 务 是 控 制 胜 率 ， 从 迅 速 得 到 正 确 答 案 这 个 意 义 上 事 先 决 定 胜 败 。

IBM 的 量 子 计 算 计 划 经 理Nabil Amer 预 测 ， 这 种 亚 原 子 赌 博 给 复 杂 的 模 拟 任 务 带 来 巨 大 的 益 处 。 工 程 师 和 药 物 设 计 师 可 以 完 成 任 务 。 构 思 一 种 包 含 全 部 已 知 化 学 品 相 互 作 用 规 律 的 数 据 库 。 一 个 量 子 计 算 机 能 在 瞬 间 详 细 检 查 ， 以 找 到 各 种 适 应 所 需 药 物 特 性 的 分 子 。

然 而 ， 制 造 这 些 设 备 中 的 任 何 一 个 都 是 很 大 的 挑 战 。 而 且 在 世 界 上 正 在 出 现 迥 然 不 同 的 设 计 。 在 美 国 国 家 标 准 和 技 术 研 究 所 里 ， 科 学 家 们 用 激 光 的 瞬 时 脉 冲 照 射 在 接 近 绝 对 零 度 的 铍 原 子 上 来 进 行 量 子 计 算 。 在 两 面 镜 子 之 间 振 荡 的 光 子 与 加 州 技 术 研 究 所 试 验 中 的 “ 量 子 高 尔 夫 球 ” 起 同 样 的 作 用 。 而 在NEC 的 基 础 研 究 实 验 室 里 ， 则 把 一 块 很 小 的 超 导 体 附 到 普 通 的 硅 芯 片 上 产 生1-0 混 合 状 态 。

迄 今 ， 最 成 功 的 设 计 是 在IBM 的Almaden 研 究 中 心Isaac Chuang 的 实 验 室 里 完 成 的 。 一 只 充 满 几 百 万 丙 氨 酸 分 子 黄 色 液 体 的 铅 笔 大 小 的 玻 璃 管 放 在 核 磁 共 振 设 备 （ 一 种 小 于 医 院 常 见 的 核 磁 共 振 设 备 的 机 型 ） 中 。 每 个 丙 氨 酸 分 子 是 一 个 微 小 的 量 子 计 算 机 ， 它 的3 个 碳 原 子 起 着 工 作 存 储 器 的 作 用 。 计 算 时 ，Chuang 利 用 一 串 核 磁 共 振 脉 冲 进 行 敲 击 和 抖 动 以 改 变 原 子 的 概 率 。0 。1 秒 以 后 ， 最 后 一 个 脉 冲 迫 使 这 些 原 子 作 出 决 定 并 得 出 答 案 。

Chuang 喜 欢 开 玩 笑 说 他 拥 有 世 界 上 能 运 行 的 最 大 的 计 算 机 。 但 他 爽 快 地 承 认 他 的 机 器 还 远 不 具 备 实 用 的 能 力 。 由 于 每 个 分 子 只 有 三 个 可 操 纵 的 原 子 ， 它 能 检 索 只 有8 个 名 字 的 电 话 簿 。 要 检 索 一 个 更 大 的 名 录 ，Chuang 需 要 一 个 更 大 的 分 子 。

Chuang 公 司 贝 尔 实 验 室 和 密 执 安 大 学 的 研 究 人 员 建 议 用 不 同 的 方 法 解 决 这 个 问 题 。 他 们 相 信 能 使 任 意 数 量 的 电 子 漂 在 一 层 液 体 氦 上 ， 然 后 用 一 组 精 确 安 排 顺 序 的 微 波 来 完 成 他 们 的 计 算 。

不 论 我 们 是 否 想 要 量 子 计 算 机 ， 我 们 可 能 发 现 我 们 需 要 它 们 。 随 着 普 通 计 算 机 电 路 的 继 续 缩 小 ， 它 们 实 际 上 将 达 到 量 子 力 学 的 尺 度 ， 届 时 ， 它 们 的 特 性 将 彻 底 改 变 。 计 算 机 产 业 的 很 多 人 把 这 个 尺 寸 极 限 ― ― 预 计 在2012 年 左 右 达 到 ― ― 视 为 一 个 障 碍 ， 但Chuang 却 把 它 叫 做 可 望 而 不 可 及 的 量 子 力 学 金 奖 怀 。 他 若 有 所 思 地 说 ： “ 我 们 正 在 从 终 点 开 始 ， 返 回 身 来 走 向 文 明 。 ”

与实际应用相差太远。每位之间相互干扰的问题总是难以克服。上次开会碰到一个搞这方面的人，说是要等大概30年才有可能投入应用。