原標題：量子算法、DNA計算與后經(jīng)典計算時代

資本實驗室·今日創(chuàng)新觀察

聚焦前沿科技創(chuàng)新與傳統(tǒng)產業(yè)升級

二進制與偉大的計算機相結合，推動人類進入了信息化時代。在這個基于物質世界的，由0和1構成的新世界中，我們依靠算法和電子技術不斷解決了大量曾經(jīng)無法解決的問題。

然而，好奇的人類總是善于提出新的、更加復雜的問題，這又反過來推動了計算技術的進步。這一次，我們開始處于一個新的節(jié)點，那就是伴隨著摩爾定律的逐步失效，我們將迎來后經(jīng)典計算(post-classical computing)時代。在這個時代，量子計算、生物計算等將開始登上歷史舞臺。

這兩種新的算法將幫助我們解決現(xiàn)在看起來很難解決的問題。盡管它們目前都處在發(fā)展初期，但兩者的探索和持續(xù)進步值得我們長期的關注。

1.經(jīng)典計算機何處去

毫無疑問，英特網(wǎng)是經(jīng)典計算力量的完美體現(xiàn)。全世界各種形狀和尺寸的數(shù)十億臺計算機，通過算法、無線電信號和光纖電纜形成網(wǎng)絡，相互協(xié)作，創(chuàng)造出一種我們所知的宇宙中獨一無二的生活方式。更令人難以置信的是，經(jīng)典計算在不到兩代人的時間里就完成了這一壯舉，這是一個沒有歷史先例的技術進步速度。

在這種進步的背后，1965年提出的摩爾定律一直發(fā)揮了神奇的理論引領作用。但在該定律下，硅計算機芯片畢竟是一種物理材料，因此它受到物理、化學和工程規(guī)律的支配。當我們把集成電路上的晶體管縮小到納米級后，晶體管就不能再像以往一樣每兩年變小一次。

以英特爾最近不斷被曝出其處理器中的安全漏洞為例，在一定程度上，這是由于工程師們必須想盡辦法來提高處理器的性能和速度，而這在物理上已經(jīng)不可能改善集成電路本身。

隨著晶體管縮小到只有7納米長，工程師們已經(jīng)達到讓晶體管使用最少數(shù)量的原子來制造工作元件的節(jié)點。任何更小的晶體管，其結構的完整性都會很快崩潰，并失去控制和引導電流的能力，而正是電流傳遞的信息讓計算機得以如此強大。

當電流的轉換和控制得以提升時，計算機可以更快速、更靈活。但是，你不能讓電子以超過它所通過的介質所決定的速度而運動。要“加速”電子的流動，唯一的方法就是減少它在邏輯門之間的移動距離，而這種操作產生的結果可以比以前快幾萬億分之一秒，這就是40年來我們一直在做的事情。

經(jīng)典計算機的處理器無疑速度很快，但不幸的是速度還不夠快。盡管經(jīng)典計算機已經(jīng)具備不可思議的能力，但它在難以解決但又極其重要的數(shù)學問題(如優(yōu)化和蛋白質折疊)面前卻又一籌莫展。經(jīng)典計算機操作的順序性意味著其自身永遠無法趕上一個O(2n)或O(n!)問題的增長速度。

沒有人愿意接受，過去半個世紀我們所享受的不可思議的技術之旅即將結束，但除非我們發(fā)現(xiàn)一種算法能夠提供這種增長速度的捷徑，否則我們必須超越經(jīng)典計算機。

2.量子算法的到來

自Peter Shor發(fā)表第一個量子算法(分解大數(shù)質因子量子算法)以來的25年里，數(shù)學家和計算機科學家們已經(jīng)開發(fā)出其他量子算法來解決經(jīng)典計算機難以解決的問題。

在這幾十種量子算法中，許多都比我們所知道的最有效的經(jīng)典算法快幾個數(shù)量級。當然，這些算法只有在它們所處的獨特量子環(huán)境中才能實現(xiàn)。

量子計算領域的一些最重要的工作是創(chuàng)建模擬各種量子系統(tǒng)的算法，這些系統(tǒng)從激光技術到醫(yī)學無所不包。這些算法將在很大程度上超過類似的經(jīng)典計算模擬。目前，進行分子模擬的經(jīng)典算法僅限于它可以模擬的分子類型。這些算法通常只限于自旋軌道少于70個的分子，而且模擬的復雜性增長得如此之快，以至于變得越來越難以處理。

而一個量子比特能足夠有效地代表這些軌道中的一個，一個只有100個量子比特的量子計算機將能夠進行經(jīng)典計算機望塵莫及的分子模擬。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。

從深度優(yōu)先搜索(depth-first search)到絕熱優(yōu)化(adiabatic optimisation)，量子算法應用廣闊，而且在不斷進步。當這些算法真正投入使用，商業(yè)、行政、醫(yī)學、工程等領域一些最令人沮喪的，棘手的，指數(shù)級的問題都將迎刃而解。然而，這些算法所缺乏的是與之相對應的，具有足夠量子比特的，足夠強大的量子計算機。

總體來看，量子計算技術目前還處于初級階段，這不僅涉及你必須掌握的量子比特，你還必須發(fā)現(xiàn)一種能夠室溫超導的材料，并弄清楚你如何維持量子比特的內部環(huán)境，使其盡可能接近絕對零度才能工作。

此外，一臺計算機需要做的絕大多數(shù)工作在量子計算機上的執(zhí)行速度不會比在經(jīng)典計算機上更快，因為順序化的操作并不是量子計算機的設計對象。在量子計算機完全到來之后的很長一段時間內，我們仍將使用經(jīng)典計算機，而量子計算機可能被放置在企業(yè)和國家實驗室，通過云計算提供處理服務。

3.為后經(jīng)典時代重新定義計算機

經(jīng)典計算機所面臨的問題是計算機本身的電子性質所固有的。計算機從簡單的電子電路發(fā)展而來，并使用一種非常具體的計算方法來解決問題，因此它被永久地鎖定在電子技術已經(jīng)使用了一個多世紀的連續(xù)二進制數(shù)計算模型中。但這個模型在我們目前的技術中占主導地位并不意味著它是執(zhí)行計算的唯一方法。

我們可以把視線從對硅芯片的癡迷移開，來看看計算研究的另一個主要領域：DNA計算。這是一個有著令人難以置信發(fā)展?jié)摿Φ念I域。這個概念乍看上去可能有點奇怪，讓人凌亂。但如果你仔細想想，它顯然是后經(jīng)典計算研究和開發(fā)的候選技術。

DNA編碼已經(jīng)成為一種強大的數(shù)據(jù)傳輸和存儲機制，但研究人員現(xiàn)在正在深入挖掘DNA本身的各個組成部分，而它本身也有可能成為一種計算機制。

研究表明，四種不同的氨基酸(A、T、C和G)作為DNA的構建基塊，可以作為可編碼的比特被重新利用。當混合后，這些氨基酸自然地自我組裝成DNA鏈，而不僅僅是任何DNA，而是所有可用材料可能的DNA排列。

這是一個可能改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新，因為在量子比特的疊加上執(zhí)行操作與真正的并行計算不同。量子計算機只會給你一個單一的輸出，要么是一個值，要么是一個結果量子狀態(tài)，所以它們解決指數(shù)或階乘時間復雜度問題的效用完全取決于所使用的算法。

然而，DNA計算利用了這些氨基酸構建和組裝成長鏈DNA的能力。混合這些氨基酸，它們自然會形成一組更長更復雜的氨基酸排列。排列都是關于優(yōu)化的，即使是量子計算機也很可能發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)化超出了它的能力。

這就是DNA計算如此令人興奮的原因。正在進行的DNA計算的研究將及時揭示其真正的功效，但自組裝的DNA鏈提供了真正并行計算的前景，即使是量子計算也不能宣稱這一點。

總體而言，不論是量子計算還是DNA計算，它們將重新定義我們所知道的計算，我們將通過集成這些不同的模型來創(chuàng)建新的系統(tǒng)，并產生持續(xù)的影響。

雖然推測具體的進展可能很有趣，但比任何一項進展更重要的是這些不同的進展共同產生的協(xié)同效應，例如區(qū)塊鏈、5G網(wǎng)絡、量子計算機和高級人工智能。(參考信息：interestingengineering)返回搜狐，查看更多

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總結

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