第三十二章

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2017年5月27日,新的冲动又驱使华纬进入了“X-39”基地实验室,
他的灵感于肖妈妈的厨房,他发现,当热气腾腾的锅盖放在大理石案板上的时候,会有很小的位移发生,这使他想起了他的“空腔”理论,以前只是想过,一直没有头绪。
大多数人认为,真空是空荡荡的。但是,用量子电动力学理论来解释,就不是这个样子了。实际上,真空中到处充满着称作‘零点能‘的电磁能,这正是华纬希望加以利用的能量。‘零点‘中的‘零‘指的是,如果把宇宙温度降低至绝对零度,部分能量就可能保留下来。麦克莱已经计算出,大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。
从理论上看,真空能量以粒子的形态出现,并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下,真空中充满着几乎各种波长的粒子,但如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起,较长的波长就会被排除出去。接着,金属盘外的其他波就会产生一种往往使用它们相互聚拢的力,金属盘就越靠近,两者之间的吸引力就越强。这就是所谓的卡西米尔效应。
华纬分析的重点不是金属盘,而是微型金属盒,他称之为‘空腔‘。他发现,这种空腔的最有趣之处在于它又长又薄,大小与一个大肠杆菌不相上下。这种空腔的一个重要特点是,其中一个宽面处于完全平衡的状态:内向与外向真空压力完全相等。不过,这是一种脆弱的平衡。这恰恰是它让人感兴趣的地方。
华纬打算制造一个处于平衡状态的一面“称为盒盖”——可自由移动的金属盒。倘若盒盖从平衡点向内略微移动,空腔内的真空压力将下沉,盒盖将进一步向内收缩。倘若盒盖向外移动,则结果正好相反,盒盖向外扩张。由此产生的位移是非常小的,可能不到100毫微米。盒盖将被吸附在一条微型弹簧上。因此,当盒盖移动时,微型弹簧会被拉长或缩小,并且会返回原处。
华纬目前的计划是,在基片上制造一排由数百个空腔组成的无盖无腔,然后制造一个能盖住整排空腔的盖盒。这个盖盒将悬挂在整排空腔上方的弹簧上,并一点点移向盖盒。最初盖盒应保持不动,但当空腔靠近到足够近的位置时,真空压力差异会引起盖盒移动,甚至可能产生振动。
这项研究要是成功的话,将是一场突破性的“推进物理学‘的革命。该项研究的目标是寻找有可能为航天器提供动力的新的推进方法。
如果这项研究成功的话,这样的推动方式将不再需要载荷过多的能量舱,远程太空航行将成为可能。
有了这个冲动,华纬暂时忘却了前段时日的烦恼和不快,整天就呆在“X-39”基地里地下26层的实验室里。期间隔一段时间回去享受一下肖妈妈的盛宴,以应付肖妈妈责怪他玩消失的唠叨。妹妹华葳在一次回家的时候,给了他一个恰如其分的评论:“闭关”。
华纬已经在地球上唯一一台高Q-bit的量子计算机前工作了近6个月,这台量子计算机是华纬最为自豪的东西,在清华的时候,他就开始酝酿量子理论在计算机上的应用。
几十年前,一些国内国外的科学家,就开始研究信息处理电路未来的去向问题,他们指出,当计算机元件的尺寸变得非常之小时,我们不得不面对一个严峻的事实:必须用量子力学来对它们进行描述。上个世纪八十年代初期,一些物理学家证明一台计算机原则上可以以纯粹的量子力学的方式运行,
上个世纪的90年代,实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。1994年美国贝尔实验室证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的RSA公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击,几年后又提出“量子搜寻算法”,可以破译DES密码体系。
量子计算机为什么会有这么大的威力呢?其根本原因在于构成量子计算机的基本单元——量子比特(q-bit),它具有奇妙的性质,这种性质必须用量子力学来解释,因此称为量子特性。为了更好地理解什么是量子比特,让我们看看经典计算机的比特与量子计算机的量子比特有什么不同。我们现在所使用的计算机采用二进制来进行数据的存储和运算,在任何时刻一个存储器位代表0或1,例如在逻辑电路中电压为5V表示1,0V表示0,如果出现其他数值计算机就会以为是出错了。

而量子比特是由量子态相干叠加而成,一个具有两种状态的系统可以看作是一个“二进制”的量子比特,对量子力学有了解的人都知道,在量子世界里物质的状态是捉摸不定的,如电子的位置可以在这里同时也可以在那里,原子的能级在某一时刻可以处于激发状态,同时也可以处于基本状态。采用有两个能级的原子来做量子计算机的q-bit。规定原子在基态时记为|0〉,在激发态时原子的状态记为|1〉,而原子具体处于哪个态我们可以通过辨别原子光谱得以了解。微观世界的奇妙之处在于,原子除了保持上述两种状态之外,还可以处于两种状态的线性叠加,记为|φ〉=a|1〉+b|0〉,其中a,b分别代表原子处于两种态的几率幅。如此一来,这样的一个q-bit不仅可以表示单独的“0”和“1”(a=0时只有“0”态,b=0时只有“1”态),而且可以同时既表示“0”,又表示“1”(a,b都不为0时)。
举一个简单的例子,假如有一个由三个比特构成的存储器,如果是由经典比特构成则能表示000,001,010,011,100,101,110,111这8个二进制数,即0~7这8个十进制数,但同一时刻只能表示其中的一个数。若此存储器是由量子比特构成,如果三个比特都只处于|0〉或|1〉则能表示与经典比特一样的存储器,但是量子比特还可以处于|0〉与|1〉的叠加状态,假设三个q-bit每一个都是处于|0〉+|1〉/√2态,那么它们组成的量子存储器将表示一个新的状态,用量子力学的符号,可记做:
|0〉|0〉|0〉+|0〉|0〉|1〉+|0〉|1〉|0〉+|0〉|1〉|1〉+|1〉|0〉|0〉+|1〉|0〉|1〉+|1〉|1〉|0〉+|1〉|1〉|1〉
不难看出,上面这个公式表示8种状态的叠加,既在某一时刻一个量子存储器可以表示8个数。
接下来我们看看量子计算机如何对这些态进行运算。假设现在我们想求一个函数fn,n=0~7的值,采用经典计算的办法至少需要下面的步骤:
存储器清零→赋值运算→保存结果→再赋值运算→再保存结果……
对每一个n都必须经过存储器的赋值和函数fn的运算等步骤,而且至少需要8个存储器来保存结果。如果是用量子计算机来做这个题目则在原理上要简洁的多,只需用一个量子存储器,把各q-bit制备到|0〉+|1〉/√2态上就一次性完成了对8个数的赋值,此时存储器成为态|φ〉,然后对其进行相应的幺正变换以完成函数fn的功能,变换后的存储器内就保存了所需的8个结果。这种能同时对多个态进行操纵,所谓“量子并行计算”的性质正是量子计算机巨大威力的奥秘所在。
接下来是怎么把所需要的数据从8个或更多个结国中挑选出来,对具体的问题这就要要采用相应的量子算法,大数因式分解算法,和量子搜索算法漂亮地解决了两类问题。按照大数因式分解算法,对一个1000位的数进行因式分解只需几分之一秒,同样的事情由目前最快的计算机来做,则需10的25次方这么多年!而搜索算法则被形象地称为“从稻草堆中找出一根针”。
这台经过华纬理论设计,在“X-39”有关研究人员的努力工作下,实验室的这台量子计算机除了最基本的量子位,量子计算,量子超空间传送等功能外,还具有量子编码,量子逻辑门和量子网络,量子纠缠交换等前人想都不敢想的功能。
量子计算机还有一个优点,它能进行大数的因式分解,和搜索破译密码,但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用爱因斯坦表述的EPR对进行量子通讯的实验中,华纬他们发现,只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递,任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息,正所谓解铃还需系铃人,这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。
华纬现在真的体会到,科学技术的发展过程充满了偶然和未知,物理学泰斗爱因斯坦为了批判量子力学,用他的聪明大脑假想出来的EPR态,在六十多年后不仅被证明是存在的,而且现在被华纬制成了第一台真正意义上的量子计算机。
有了量子计算机的有力辅助,不到半年,华纬“出关腔”理论已经有了重大突破,剩下的事情的只要时间够不够的问题,毕竟有了理论基础,实施起来要简单的多,
华纬打算等过完了年,再去“闭关”——解决下一步的问题。
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