计算的极限——黑洞计算机(2)

倘若二十年前谈起计算机的极限，那么大多数人可能会以晶体管的极限来推断。但二十年后的现在，人们用量子计算找到了新的突破口。
量子计算机的原理相当艰涩，但衡量其算力的基本概念是量子比特数，即同时使用多少个互相纠缠的粒子态进行计算。量子计算中的“一次计算”相当于同时进行经典计算中的成千上万次计算，且其比例会随着量子比特数指数级增加，因此能够在晶体管尺寸以外开辟出计算力的全新可能性。
最近十年来，量子计算的研究可谓是突飞猛进。各大计算机公司都在将量子计算机从幻想变为现实。一方面，量子计算机的量子比特数在逐渐增加；另一方面，人们也在为量子计算开发所需量子比特数更低或是更普适的算法。就在今年年初，IBM刚刚发布第一款商用的量子计算机。今年6月，华为已经完成“昆仑”量子计算模拟一体机原型。以目前的发展速度看，应当会在接下来的5到10年里逐渐普及开来。
但在那之后，量子计算会如何发展，甚至超越量子计算的计算机会如何发展，现在的我们就难以想象了。
回到最开始的问题：既然现在的我们想象不到未来的技术革新，那么我们还能回答“计算机的理论极限是多少”这个问题吗？有趣的是，不依赖于具体技术的解答反而非常简单。早在2000年，物理学家塞斯·罗伊德（Seth Lloyd）的一篇文章就讨论过这个问题。他的解答只依赖于一些基本的物理定律及其解读，甚至可以帮我们想象出终极的计算机应该是什么样子。
如果计算机可以采用任何技术，那么限制它的就只有物理定律了。我们知道，所有计算都可以拆解成最小的逻辑门运算（例如与门、非门等等），而执行任何运算的时候都需要让计算机产生可以观测的变化——这个“可以观测的变化”就是塞斯·罗伊德（Seth Lloyd）的推理中最有趣的地方：经典物理中，观测量的变化都是连续确定的，因此“可以观测的变化”仅受限于测量精度。但是量子物理中就不同了。不确定性原理里面有一条叫作“能量-时间”不确定性原理。它的解读告诉我们，一个能量为E的系统，它从一个量子态变成另一个可以区分开的量子态的时间为t。
当计算机的质量给定之后，就可以从E=mc^2得知系统的能量，而上文中得到的t就是做一次量子态计算所需要的最短时间。这就是计算机计算速度的极限，与任何具体的算法和技术原理无关，也不可能通过并行计算这样的技巧提升——如果把计算机拆成两个单元做并行计算的话，每个单元的能量也比之前少一半，计算速度也会相应减慢，因此总的计算速度不会比拆分前更高。