量子計算機無法復制粘貼，一種解決方案是把DNA制作成硬盤

編者按：都知道量子計算機有強大的計算能力，但似乎很少有人提及它的缺陷：由于量子電腦的本質(zhì)原因，你不可以在上面保存或者復制信息。這是由量子計算機的本質(zhì)所決定的，思考一下，量子態(tài)永遠是處于概率之中，一旦有觀測就會發(fā)生坍塌，所以，復制自然是不可能的了。如今，科學家們正致力于解決這個問題，其中一種方案就是使用DNA來存儲信息。讓我們來一起了解一下。

你肯定聽到過這種炒作：量子計算機的革命時代正在到來。物理學家們說，這些計算機的速度快到可以破解銀行現(xiàn)在使用的每一種加密模式。它們的人工智能如此先進，你可以載入元素周期表還有量子力學的法則，它們能夠設計出目前為止最高效的太陽能電池。它們很快就會到來了：谷歌的研究人員本月早些時候在《自然》雜志上發(fā)表稱，他們預計最早在五年內(nèi)推出商業(yè)化的量子電腦。而且谷歌想要在今年末構(gòu)建并測試一臺49量比——也就是“量子比特”——的量子電腦。一些專家稱，一臺50量比的電腦性能要超過任何一臺傳統(tǒng)電腦。

但是存在一個大問題：由于量子電腦的本質(zhì)原因，你不可以在上面保存或者復制信息。如果不能夠備份自己的工作成果，那么再強大的計算能力也沒有什么用武之地。你可以轉(zhuǎn)變一下量子數(shù)據(jù)，然后把它放在一個傳統(tǒng)的儲存設備里，但是這些轉(zhuǎn)化過的數(shù)據(jù)會占用很大的空間。所以，物理學家們在搜尋一種由新的材料（包括DNA）制作出來的可靠的、超級壓縮的硬盤驅(qū)動器。

量子電腦之所以如此強大，正是因為它們的數(shù)據(jù)密度。一臺傳統(tǒng)的電腦閱讀、儲存、控制比特：1和0。但是量子電腦使用的是量子比特：一種在你觀察的時候可以同時存在兩種狀態(tài)的小小的量子物質(zhì)——0和1。而如果你可以在兩種狀態(tài)疊加的情況下控制量子微粒，那么你就可以平行處理多項任務。這能夠提高與計算有關(guān)的特定任務的處理速度。這種速度不會讓你的Netflix觀看體驗更好，也不能讓你的微軟Excel承受能力更強。但是它在運行搜索算法或是和有機物質(zhì)或人腦相似的模擬復雜系統(tǒng)時，速度將會非常快。

但是量子力學擁有不可思議的能力的同時也存在一定的缺點。它的法則允許疊加，但是同時也禁止任何其他人復制量子微粒。“這叫做‘不可克隆原理，’”加拿大西蒙弗雷澤大學的物理學家Stephanie Simmons說。她說量子電腦會把原子編程為特定的原子狀態(tài)，代表了一連串的數(shù)字。想讓電腦給另一個原子編出完全一樣的原子狀態(tài)在物理上幾乎是不可能的。所以Simmons提出了一個比較婉轉(zhuǎn)的儲存量子數(shù)據(jù)的方式：首先，你要把它轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)——把描述出原子疊加的數(shù)字翻譯成簡單的0和1。然后，再用傳統(tǒng)的存儲形式把這些轉(zhuǎn)化過來的數(shù)據(jù)存儲起來。換句話說：硬盤驅(qū)動器。一個超級壓縮的硬盤驅(qū)動器，因為一臺49量比的電腦的每一個量子數(shù)據(jù)的文件大小可以達到4,0000個視頻的規(guī)模。

為了儲存如此巨大的數(shù)據(jù)，量子電腦的開發(fā)者們需要新的數(shù)據(jù)存儲科技，Simmons說。現(xiàn)在商業(yè)化的驅(qū)動器壓縮程度還不夠。一個單一量子文件會占到一個固態(tài)硬盤驅(qū)動器上一張郵票大小的地方。

所以DNA是可供選擇的儲存方案。《科學》雜志本月早些時候發(fā)表稱，科學家已經(jīng)證明1克DNA可以儲存215兆兆字節(jié)，或者說2.15億千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。在這種密度下，兩輛皮卡車就可以裝下人類所有的數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器只在二維表面上儲存數(shù)據(jù)不同，DNA是在三維分子上儲存數(shù)據(jù)的。多出來的那個垂直維度使得DNA每單位存儲的信息要多得多。

而且，它可以持續(xù)很長時間。連云港數(shù)據(jù)恢復“想一想你90年代買的CD，”哥倫比亞大學的計算機科學家Yaniv Erlich說，他正在研究這一領域。“它們可能有些地方被刮花了，而你已經(jīng)不能準確地讀出那些數(shù)據(jù)了。但是DNA卻可以在很長一段時間內(nèi)儲存信息。我們現(xiàn)在可以非常準確地讀出幾千年前的骨骼上的DNA。

另一種超壓縮技術(shù)將比特編譯在了單一原子上。IBM的研究人員上個星期發(fā)表文章說他們把比特儲存在了一個單一原子上，然后又把數(shù)據(jù)成功地讀了出來。為了做到這一點，他們把鈥原子嵌在了一塊芯片上，然后利用電子設備控制每一個原子產(chǎn)生的內(nèi)在磁場的方向。他們發(fā)現(xiàn)，當原子之間的距離有1毫微米的時候，他們就可以獨立控制原子。所以基本上可以在每個原子上編譯1比特。不可能超過這種密度了，IBM的物理學家Chris Lutz說。商業(yè)化的硬盤驅(qū)動器在至少100,000個原子上儲存1比特——就算是DNA的堿基對都是由30個原子組成的。

這兩種技術(shù)都和量子電腦本身一樣，距離商業(yè)化還需要一定的年份。DNA的合成非常昂貴，而且讀取時間也很長。而要在單一原子上儲存數(shù)據(jù)，你需要保持原子處于極度低溫的狀態(tài)——大概接近絕對零度——因為不然的話，原子會彼此干擾并覆蓋它們的數(shù)據(jù)。除此之外，大量的量子運算還需要開發(fā)出一些算法以便把量子數(shù)據(jù)高效地壓縮轉(zhuǎn)化為二進制——然后還要設計出能夠執(zhí)行這些算法的硬件。

就算谷歌打算運行它的49量比的量子電腦，他們其實也不清楚量子電腦到底該如何備份信息。常州數(shù)據(jù)恢復“我看到前路上還存在著許多巨大的挑戰(zhàn)。” Simmons說。因為如果量子電腦不能夠備份自己的數(shù)據(jù)，那么自動保存也將于事無補。