二進(jìn)制與偉大的計(jì)算機(jī)相結(jié)合恩伺，推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入了信息化時(shí)代。在這個(gè)基于物質(zhì)世界的椰拒，由0和1構(gòu)成的新世界中晶渠，我們依靠算法和電子技術(shù)不斷解決了大量曾經(jīng)無(wú)法解決的問(wèn)題。
然而燃观，好奇的人類(lèi)總是善于提出新的褒脯、更加復(fù)雜的問(wèn)題，這又反過(guò)來(lái)推動(dòng)了計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步缆毁。這一次番川，我們開(kāi)始處于一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，那就是伴隨著摩爾定律的逐步失效脊框，我們將迎來(lái)后經(jīng)典計(jì)算(post-classical computing)時(shí)代颁督。在這個(gè)時(shí)代，量子計(jì)算浇雹、生物計(jì)算等將開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)沉御。
這兩種新的算法將幫助我們解決現(xiàn)在看起來(lái)很難解決的問(wèn)題。盡管它們目前都處在發(fā)展初期依筝，但兩者的探索和持續(xù)進(jìn)步值得我們長(zhǎng)期的關(guān)注芋甸。
1.經(jīng)典計(jì)算機(jī)何處去
毫無(wú)疑問(wèn)，英特網(wǎng)是經(jīng)典計(jì)算力量的體現(xiàn)剪莲。全世界各種形狀和尺寸的數(shù)十億臺(tái)計(jì)算機(jī)谬咽，通過(guò)算法、無(wú)線(xiàn)電信號(hào)和光纖電纜形成網(wǎng)絡(luò)嫂前，相互協(xié)作污兄，創(chuàng)造出一種我們所知的宇宙中特別的生活方式鹰泡。更令人難以置信的是萝渐，經(jīng)典計(jì)算在不到兩代人的時(shí)間里就完成了這一壯舉，這是一個(gè)沒(méi)有歷史先例的技術(shù)進(jìn)步速度叛冠。
在這種進(jìn)步的背后磨慷，1965年提出的摩爾定律一直發(fā)揮了理論引領(lǐng)作用支礼。但在該定律下，硅計(jì)算機(jī)芯片畢竟是一種物理材料薇痛，因此它受到物理滨溉、化學(xué)和工程規(guī)律的支配。當(dāng)我們把集成電路上的晶體管縮小到納米級(jí)后长赞，晶體管就不能再像以往一樣每?jī)赡曜冃∫淮巍?/span>
以英特爾不斷被曝出其處理器中的安全漏洞為例晦攒，在一定程度上，這是由于工程師們必須想盡辦法來(lái)提高處理器的性能和速度得哆，而這在物理上已經(jīng)不可能改善集成電路本身脯颜。
隨著晶體管縮小到只有7納米長(zhǎng)，工程師們已經(jīng)達(dá)到讓晶體管使用少數(shù)量的原子來(lái)制造工作元件的節(jié)點(diǎn)贩据。任何更小的晶體管栋操，其結(jié)構(gòu)的完整性都會(huì)很快崩潰，并失去控制和引導(dǎo)電流的能力饱亮，而正是電流傳遞的信息讓計(jì)算機(jī)得以如此強(qiáng)大矾芙。
當(dāng)電流的轉(zhuǎn)換和控制得以提升時(shí)，計(jì)算機(jī)可以更快速近上、更靈活剔宪。但是，你不能讓電子以超過(guò)它所通過(guò)的介質(zhì)所決定的速度而運(yùn)動(dòng)戈锻。要“加速”電子的流動(dòng)艺踪，唯一的方法就是減少它在邏輯門(mén)之間的移動(dòng)距離，而這種操作產(chǎn)生的結(jié)果可以比以前快幾萬(wàn)億分之一秒彬膘，這就是40年來(lái)我們一直在做的事情滚讼。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理器無(wú)疑速度很快，但不幸的是速度還不夠快绝皇。盡管經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備不可思議的能力绊域，但它在難以解決但又極其重要的數(shù)學(xué)問(wèn)題(如優(yōu)化和蛋白質(zhì)折疊)面前卻又一籌莫展。經(jīng)典計(jì)算機(jī)操作的順序性意味著其自身永遠(yuǎn)無(wú)法趕上一個(gè)O(2n)或O(n!)問(wèn)題的增長(zhǎng)速度呐猴。
沒(méi)有人愿意接受湘都，過(guò)去半個(gè)世紀(jì)我們所享受的不可思議的技術(shù)之旅即將結(jié)束，但除非我們發(fā)現(xiàn)一種算法能夠提供這種增長(zhǎng)速度的捷徑常废，否則我們必須超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)旱唧。
2.量子算法的到來(lái)
自Peter Shor發(fā)表第一個(gè)量子算法(分解大數(shù)質(zhì)因子量子算法)以來(lái)的25年里，數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出其他量子算法來(lái)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題蝇蝶。
在這幾十種量子算法中恤鞭，許多都比我們所知道的有效的經(jīng)典算法快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然危号，這些算法只有在它們所處的獨(dú)特量子環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)牧愁。
量子計(jì)算領(lǐng)域的一些重要的工作是創(chuàng)建模擬各種量子系統(tǒng)的算法素邪，這些系統(tǒng)從激光技術(shù)到醫(yī)學(xué)無(wú)所不包。這些算法將在很大程度上超過(guò)類(lèi)似的經(jīng)典計(jì)算模擬猪半。目前兔朦，進(jìn)行分子模擬的經(jīng)典算法僅限于它可以模擬的分子類(lèi)型。這些算法通常只限于自旋軌道少于70個(gè)的分子磨确，而且模擬的復(fù)雜性增長(zhǎng)得如此之快沽甥，以至于變得越來(lái)越難以處理。
而一個(gè)量子比特能足夠有效地代表這些軌道中的一個(gè)乏奥，一個(gè)只有100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)將能夠進(jìn)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及的分子模擬安接。這些模擬可能揭示各種以前未知的化合物，并且可以為各種疾病提供新的治療方法英融。
從深度優(yōu)先搜索(depth-first search)到絕熱優(yōu)化(adiabatic optimisation)盏檐，量子算法應(yīng)用廣闊，而且在不斷進(jìn)步驶悟。當(dāng)這些算法真正投入使用胡野，商業(yè)、行政找塌、醫(yī)學(xué)厅员、工程等領(lǐng)域一些令人沮喪的，棘手的鸥萌，指數(shù)級(jí)的問(wèn)題都將迎刃而解幻渤。然而，這些算法所缺乏的是與之相對(duì)應(yīng)的壹霍，具有足夠量子比特的牌完，足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。
總體來(lái)看建鹿，量子計(jì)算技術(shù)目前還處于初級(jí)階段坎谱，這不僅涉及你必須掌握的量子比特，你還必須發(fā)現(xiàn)一種能夠室溫超導(dǎo)的材料捍瘩，并弄清楚你如何維持量子比特的內(nèi)部環(huán)境念婶，使其盡可能接近絕對(duì)零度才能工作。
此外署弯，一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要做的絕大多數(shù)工作在量子計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行速度不會(huì)比在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上更快分搞，因?yàn)轫樞蚧牟僮鞑⒉皇橇孔佑?jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)象。在量子計(jì)算機(jī)完全到來(lái)之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)荚坞，我們?nèi)詫⑹褂媒?jīng)典計(jì)算機(jī)挑宠，而量子計(jì)算機(jī)可能被放置在企業(yè)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)云計(jì)算提供處理服務(wù)。
3.為后經(jīng)典時(shí)代重新定義計(jì)算機(jī)
經(jīng)典計(jì)算機(jī)所面臨的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)本身的電子性質(zhì)所固有的痹栖。計(jì)算機(jī)從簡(jiǎn)單的電子電路發(fā)展而來(lái)，并使用一種非常具體的計(jì)算方法來(lái)解決問(wèn)題瞭空，因此它被永久地鎖定在電子技術(shù)已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)計(jì)算模型中揪阿。但這個(gè)模型在我們目前的技術(shù)中占主導(dǎo)地位并不意味著它是執(zhí)行計(jì)算的唯一方法。
我們可以把視線(xiàn)從對(duì)硅芯片的癡迷移開(kāi)咆畏，來(lái)看看計(jì)算研究的另一個(gè)主要領(lǐng)域：DNA計(jì)算南捂。這是一個(gè)有著令人難以置信發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。這個(gè)概念乍看上去可能有點(diǎn)奇怪旧找，讓人凌亂溺健。但如果你仔細(xì)想想，它顯然是后經(jīng)典計(jì)算研究和開(kāi)發(fā)的候選技術(shù)钮蛛。
DNA編碼已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)機(jī)制鞭缭，但研究人員現(xiàn)在正在深入挖掘DNA本身的各個(gè)組成部分，而它本身也有可能成為一種計(jì)算機(jī)制轮砸。
研究表明南链，四種不同的氨基酸(A、T应胎、C和G)作為DNA的構(gòu)建基塊衡服，可以作為可編碼的比特被重新利用。當(dāng)混合后而逞，這些氨基酸自然地自我組裝成DNA鏈免砖，而不僅僅是任何DNA，而是所有可用材料可能的DNA排列黄骇。
這是一個(gè)可能改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新纸赦，因?yàn)樵诹孔颖忍氐寞B加上執(zhí)行操作與真正的并行計(jì)算不同。量子計(jì)算機(jī)只會(huì)給你一個(gè)單一的輸出倒奋，要么是一個(gè)值醒狭，要么是一個(gè)結(jié)果量子狀態(tài)，所以它們解決指數(shù)或階乘時(shí)間復(fù)雜度問(wèn)題的效用完全取決于所使用的算法皱辞。
然而君板，DNA計(jì)算利用了這些氨基酸構(gòu)建和組裝成長(zhǎng)鏈DNA的能力」扇撸混合這些氨基酸霹陡，它們自然會(huì)形成一組更長(zhǎng)更復(fù)雜的氨基酸排列。排列都是關(guān)于優(yōu)化的止状，即使是量子計(jì)算機(jī)也很可能發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化超出了它的能力烹棉。
這就是DNA計(jì)算如此令人興奮的原因。正在進(jìn)行的DNA計(jì)算的研究將及時(shí)揭示其真正的功效怯疤，但自組裝的DNA鏈提供了真正并行計(jì)算的前景浆洗，即使是量子計(jì)算也不能宣稱(chēng)這一點(diǎn)催束。
總體而言，不論是量子計(jì)算還是DNA計(jì)算伏社，它們將重新定義我們所知道的計(jì)算抠刺，我們將通過(guò)集成這些不同的模型來(lái)創(chuàng)建新的系統(tǒng)，并產(chǎn)生持續(xù)的影響摘昌。
雖然推測(cè)具體的進(jìn)展可能很有趣速妖，但比任何一項(xiàng)進(jìn)展更重要的是這些不同的進(jìn)展共同產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，例如區(qū)塊鏈聪黎、5G網(wǎng)絡(luò)索王、量子計(jì)算機(jī)和高級(jí)人工智能。
然而燃观，好奇的人類(lèi)總是善于提出新的褒脯、更加復(fù)雜的問(wèn)題，這又反過(guò)來(lái)推動(dòng)了計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步缆毁。這一次番川，我們開(kāi)始處于一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，那就是伴隨著摩爾定律的逐步失效脊框，我們將迎來(lái)后經(jīng)典計(jì)算(post-classical computing)時(shí)代颁督。在這個(gè)時(shí)代，量子計(jì)算浇雹、生物計(jì)算等將開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)沉御。
這兩種新的算法將幫助我們解決現(xiàn)在看起來(lái)很難解決的問(wèn)題。盡管它們目前都處在發(fā)展初期依筝，但兩者的探索和持續(xù)進(jìn)步值得我們長(zhǎng)期的關(guān)注芋甸。
1.經(jīng)典計(jì)算機(jī)何處去
毫無(wú)疑問(wèn)，英特網(wǎng)是經(jīng)典計(jì)算力量的體現(xiàn)剪莲。全世界各種形狀和尺寸的數(shù)十億臺(tái)計(jì)算機(jī)谬咽，通過(guò)算法、無(wú)線(xiàn)電信號(hào)和光纖電纜形成網(wǎng)絡(luò)嫂前，相互協(xié)作污兄，創(chuàng)造出一種我們所知的宇宙中特別的生活方式鹰泡。更令人難以置信的是萝渐，經(jīng)典計(jì)算在不到兩代人的時(shí)間里就完成了這一壯舉，這是一個(gè)沒(méi)有歷史先例的技術(shù)進(jìn)步速度叛冠。
在這種進(jìn)步的背后磨慷，1965年提出的摩爾定律一直發(fā)揮了理論引領(lǐng)作用支礼。但在該定律下，硅計(jì)算機(jī)芯片畢竟是一種物理材料薇痛，因此它受到物理滨溉、化學(xué)和工程規(guī)律的支配。當(dāng)我們把集成電路上的晶體管縮小到納米級(jí)后长赞，晶體管就不能再像以往一樣每?jī)赡曜冃∫淮巍?/span>
以英特爾不斷被曝出其處理器中的安全漏洞為例晦攒，在一定程度上，這是由于工程師們必須想盡辦法來(lái)提高處理器的性能和速度得哆，而這在物理上已經(jīng)不可能改善集成電路本身脯颜。
隨著晶體管縮小到只有7納米長(zhǎng)，工程師們已經(jīng)達(dá)到讓晶體管使用少數(shù)量的原子來(lái)制造工作元件的節(jié)點(diǎn)贩据。任何更小的晶體管栋操，其結(jié)構(gòu)的完整性都會(huì)很快崩潰，并失去控制和引導(dǎo)電流的能力饱亮，而正是電流傳遞的信息讓計(jì)算機(jī)得以如此強(qiáng)大矾芙。
當(dāng)電流的轉(zhuǎn)換和控制得以提升時(shí)，計(jì)算機(jī)可以更快速近上、更靈活剔宪。但是，你不能讓電子以超過(guò)它所通過(guò)的介質(zhì)所決定的速度而運(yùn)動(dòng)戈锻。要“加速”電子的流動(dòng)艺踪，唯一的方法就是減少它在邏輯門(mén)之間的移動(dòng)距離，而這種操作產(chǎn)生的結(jié)果可以比以前快幾萬(wàn)億分之一秒彬膘，這就是40年來(lái)我們一直在做的事情滚讼。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理器無(wú)疑速度很快，但不幸的是速度還不夠快绝皇。盡管經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備不可思議的能力绊域，但它在難以解決但又極其重要的數(shù)學(xué)問(wèn)題(如優(yōu)化和蛋白質(zhì)折疊)面前卻又一籌莫展。經(jīng)典計(jì)算機(jī)操作的順序性意味著其自身永遠(yuǎn)無(wú)法趕上一個(gè)O(2n)或O(n!)問(wèn)題的增長(zhǎng)速度呐猴。
沒(méi)有人愿意接受湘都，過(guò)去半個(gè)世紀(jì)我們所享受的不可思議的技術(shù)之旅即將結(jié)束，但除非我們發(fā)現(xiàn)一種算法能夠提供這種增長(zhǎng)速度的捷徑常废，否則我們必須超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)旱唧。
2.量子算法的到來(lái)
自Peter Shor發(fā)表第一個(gè)量子算法(分解大數(shù)質(zhì)因子量子算法)以來(lái)的25年里，數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出其他量子算法來(lái)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題蝇蝶。
在這幾十種量子算法中恤鞭，許多都比我們所知道的有效的經(jīng)典算法快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然危号，這些算法只有在它們所處的獨(dú)特量子環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)牧愁。
量子計(jì)算領(lǐng)域的一些重要的工作是創(chuàng)建模擬各種量子系統(tǒng)的算法素邪，這些系統(tǒng)從激光技術(shù)到醫(yī)學(xué)無(wú)所不包。這些算法將在很大程度上超過(guò)類(lèi)似的經(jīng)典計(jì)算模擬猪半。目前兔朦，進(jìn)行分子模擬的經(jīng)典算法僅限于它可以模擬的分子類(lèi)型。這些算法通常只限于自旋軌道少于70個(gè)的分子磨确，而且模擬的復(fù)雜性增長(zhǎng)得如此之快沽甥，以至于變得越來(lái)越難以處理。
而一個(gè)量子比特能足夠有效地代表這些軌道中的一個(gè)乏奥，一個(gè)只有100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)將能夠進(jìn)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及的分子模擬安接。這些模擬可能揭示各種以前未知的化合物，并且可以為各種疾病提供新的治療方法英融。
從深度優(yōu)先搜索(depth-first search)到絕熱優(yōu)化(adiabatic optimisation)盏檐，量子算法應(yīng)用廣闊，而且在不斷進(jìn)步驶悟。當(dāng)這些算法真正投入使用胡野，商業(yè)、行政找塌、醫(yī)學(xué)厅员、工程等領(lǐng)域一些令人沮喪的，棘手的鸥萌，指數(shù)級(jí)的問(wèn)題都將迎刃而解幻渤。然而，這些算法所缺乏的是與之相對(duì)應(yīng)的壹霍，具有足夠量子比特的牌完，足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。
總體來(lái)看建鹿，量子計(jì)算技術(shù)目前還處于初級(jí)階段坎谱，這不僅涉及你必須掌握的量子比特，你還必須發(fā)現(xiàn)一種能夠室溫超導(dǎo)的材料捍瘩，并弄清楚你如何維持量子比特的內(nèi)部環(huán)境念婶，使其盡可能接近絕對(duì)零度才能工作。
此外署弯，一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要做的絕大多數(shù)工作在量子計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行速度不會(huì)比在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上更快分搞，因?yàn)轫樞蚧牟僮鞑⒉皇橇孔佑?jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)象。在量子計(jì)算機(jī)完全到來(lái)之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)荚坞，我們?nèi)詫⑹褂媒?jīng)典計(jì)算機(jī)挑宠，而量子計(jì)算機(jī)可能被放置在企業(yè)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)云計(jì)算提供處理服務(wù)。
3.為后經(jīng)典時(shí)代重新定義計(jì)算機(jī)
經(jīng)典計(jì)算機(jī)所面臨的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)本身的電子性質(zhì)所固有的痹栖。計(jì)算機(jī)從簡(jiǎn)單的電子電路發(fā)展而來(lái)，并使用一種非常具體的計(jì)算方法來(lái)解決問(wèn)題瞭空，因此它被永久地鎖定在電子技術(shù)已經(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)計(jì)算模型中揪阿。但這個(gè)模型在我們目前的技術(shù)中占主導(dǎo)地位并不意味著它是執(zhí)行計(jì)算的唯一方法。
我們可以把視線(xiàn)從對(duì)硅芯片的癡迷移開(kāi)咆畏，來(lái)看看計(jì)算研究的另一個(gè)主要領(lǐng)域：DNA計(jì)算南捂。這是一個(gè)有著令人難以置信發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。這個(gè)概念乍看上去可能有點(diǎn)奇怪旧找，讓人凌亂溺健。但如果你仔細(xì)想想，它顯然是后經(jīng)典計(jì)算研究和開(kāi)發(fā)的候選技術(shù)钮蛛。
DNA編碼已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)機(jī)制鞭缭，但研究人員現(xiàn)在正在深入挖掘DNA本身的各個(gè)組成部分，而它本身也有可能成為一種計(jì)算機(jī)制轮砸。
研究表明南链，四種不同的氨基酸(A、T应胎、C和G)作為DNA的構(gòu)建基塊衡服，可以作為可編碼的比特被重新利用。當(dāng)混合后而逞，這些氨基酸自然地自我組裝成DNA鏈免砖，而不僅僅是任何DNA，而是所有可用材料可能的DNA排列黄骇。
這是一個(gè)可能改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新纸赦，因?yàn)樵诹孔颖忍氐寞B加上執(zhí)行操作與真正的并行計(jì)算不同。量子計(jì)算機(jī)只會(huì)給你一個(gè)單一的輸出倒奋，要么是一個(gè)值醒狭，要么是一個(gè)結(jié)果量子狀態(tài)，所以它們解決指數(shù)或階乘時(shí)間復(fù)雜度問(wèn)題的效用完全取決于所使用的算法皱辞。
然而君板，DNA計(jì)算利用了這些氨基酸構(gòu)建和組裝成長(zhǎng)鏈DNA的能力」扇撸混合這些氨基酸霹陡，它們自然會(huì)形成一組更長(zhǎng)更復(fù)雜的氨基酸排列。排列都是關(guān)于優(yōu)化的止状，即使是量子計(jì)算機(jī)也很可能發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化超出了它的能力烹棉。
這就是DNA計(jì)算如此令人興奮的原因。正在進(jìn)行的DNA計(jì)算的研究將及時(shí)揭示其真正的功效怯疤，但自組裝的DNA鏈提供了真正并行計(jì)算的前景浆洗，即使是量子計(jì)算也不能宣稱(chēng)這一點(diǎn)催束。
總體而言，不論是量子計(jì)算還是DNA計(jì)算伏社，它們將重新定義我們所知道的計(jì)算抠刺，我們將通過(guò)集成這些不同的模型來(lái)創(chuàng)建新的系統(tǒng)，并產(chǎn)生持續(xù)的影響摘昌。
雖然推測(cè)具體的進(jìn)展可能很有趣速妖，但比任何一項(xiàng)進(jìn)展更重要的是這些不同的進(jìn)展共同產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，例如區(qū)塊鏈聪黎、5G網(wǎng)絡(luò)索王、量子計(jì)算機(jī)和高級(jí)人工智能。
18221259202