硅很慢

艾克·庄手拿一根铅笔般细的试管，里面装着十亿亿个分子组成的亮橙色溶液，每个分子的核心都是五个氟原子和两个碳原子的组合。他将试管滑入一台改进的核磁共振 (NMR) 机器的腔体内，这台机器看上去就像一个巨大的高压锅。在机器内部，样品被连接到放大器和信号发生器的射频线圈包围着，“就像手机里的那些，只是大得多”，庄说。

Chuang 在键盘上输入“GA”（继续）。随着一声铃声，无线电波冲过试管，碳和氟原子的原子核开始旋转。当它们绕轴旋转时，进行计算。计算数字 15 的素因数只需不到一秒钟，Chuang 又重复了 35 次实验，取结果的平均值以控制误差。

因式分解 15 是一道适合小学的问题

学生和廉价计算器，但在这种情况下，重要的不是计算的大小或速度，而是计算的事实。Chuang 的

七“量子比特”量子计算机是目前有史以来最强大的量子计算机，它为几年前科学家们认为不可能实现的假设提供了确凿的证据：原子在量子层面的性质可以可靠地用于工作计算机的大脑。事实上，Chuang 等人的研究表明，量子机器有朝一日可能能够进行大规模并行计算，其中数十亿次计算同时发生 - 这是硅芯片永远无法实现的壮举。

“我们想要超越常规，”Chuang 表示，他现在是麻省理工学院比特和原子中心的副教授，尽管他在加利福尼亚州圣何塞的 IBM 阿尔马登研究中心进行了开创性的量子计算机实验。“我们想要将计算缩小到可以以前所未有的方式完成的规模。”

庄先生并非孤军奋战。全球有数十个研究团队投入了数亿美元，以证明极小规模的计算具有独特的前景。他们正在用碳纳米管、DNA 链和旋转原子核进行实验。他们寻求的是能够克服“传统”芯片计算机固有问题的计算设备，这些问题不仅与尺寸有关，还与芯片操作的串行性有关，即一个任务紧接着下一个任务。无论硅芯片完成每项任务的速度有多快，其操作的顺序性都会限制其能力。（正如物理学家理查德·费曼的名言：“计算机内部极其愚蠢，但它却疯狂运转！”对于某些问题，疯狂运转是不够的。）

纳米级计算可能有什么用途？我们可能在短期内不需要为我们的 PDA 或手机进行大规模并行处理，但传统计算的局限性已经在数据加密等领域显现出来。加密不仅是国家安全的先决条件，也是互联网商务和数据交换的重要基础。未来计算机能够同时进行大规模计算，这可能有助于破解或保护看似牢不可破的密码。

在生化研究中，非芯片计算机可以同时处理大量数据，寻找可能带来新药的关键基因模式。纳米计算机还可能用于管理庞大的数据库，解决诸如长期天气预报之类的复杂问题，并且（因为它们理论上可以集成到纳米机器中）在细胞层面监测甚至修复我们的身体。当然，所有这些都仍处于高度推测阶段，因为纳米计算研究还处于压力阶段。

规模障碍
计算机体积已经缩小了很多，速度却快得惊人，人们可能会想，为什么它们不能继续缩小呢？第一台通用计算机，电子数字积分计算机 (ENIAC)，占据了宾夕法尼亚大学的一整间房间（见“体力大于智力”）。它重达 30 吨，使用了 17,000 多个真空管。当科学家启动它时，费城的部分地区一片漆黑。ENIAC 是一台 4 位计算机，运行速度现在微不足道，为每秒 20,000 次，大约相当于一张电子贺卡的计算能力，打开贺卡会播放一首搞笑的歌曲。

ENIAC 及其后代基本上是一组二进制开/关开关，可以精确修改信息。位是信息的最基本单位，在电路中用电压表示：高电压表示位的值为 1；低电压表示位的值为 0。这些位流经由开关构成的简单逻辑门，这些逻辑门共同执行计算机被指示执行的任务。1947 年，随着晶体管的出现，ENIAC 的真空管开关变得过时，晶体管是固态器件，仍然是集成电路和微处理器的基本组成部分。随着每一代开关的出现，开关变得更小，工程师可以在相同的空间内安装更多开关，但它们的基本功能没有变化。

随着电路的缩小，电子可以在芯片中传输更多次，从而分发更多二进制代码并处理更多任务。如今的 Pentium IV 处理器只有一角硬币大小，可以以 2 千兆赫兹（即每秒 20 亿次）的速度将电子传送到 5500 万个晶体管中。10 年后，普通硅片可能包含 10 亿个或更多晶体管，运行速度超过每秒 250 亿次。目前，一些奇特的高性能芯片（例如 IBM 最近发布的硅锗芯片）的速度可以超过 100 千兆赫兹。

但这些电路的体积是有限的。芯片是使用紫外线将电路图案蚀刻到光阻表面上制成的。通过使用波长越来越短的光，芯片制造商能够制造出越来越小的电路。但最终，切割电路所需的波长将非常小，以至于透镜和空气分子会在光刻出图案之前吸收光。到那时，大约 10 到 15 年后，硅电路将停止缩小。此外，改进芯片制造工艺以利用波长越来越短的光的成本越来越高。最终，科学将需要转向其他类型的计算机系统。麻省理工学院比特和原子中心主任 Neil Gershenfeld 说：“我们被计算所包围。”他说，突破可能会发生，“如果你问大自然它是如何解决问题的。计算机可以是一管氯仿。”

IBM 研究物理科学总监 Tom Theis 问道：“除了硅，还有什么其他东西吗？几十年来，我们一直在不断寻找。”

硅替代品

一种策略是避免硅的尺寸限制，同时又不放弃传统计算机电路的便利性。分子电子学（或称分子电子学）涉及用碳和其他元素构建电路，它模仿传统的计算架构，同时可能大大加快计算速度。从理论上讲，设计出既能利用硅又能利用分子电路的机器是可能的，可能在十年内就能实现。

去年 8 月，位于纽约约克敦高地的 IBM 沃森实验室的研究人员用单个分子制造出了第一个可工作的逻辑门。科学家们利用碳纳米管（一种类似铁丝网卷的原子排列方式）制造出了一个只有 10 个原子宽的电路，也就是硅电路大小的 1/500。随后，在 10 月，贝尔实验室的科学家 Hendrik Schon、Zhenan Bao 和 Hong Meng 设计出了一种比纳米管还要小的分子晶体管，其大小只有沙粒的百万分之一。Schon 和同事们将硫醇分子（碳、氢和硫的混合物）夹在两个金电极之间，然后用硫醇控制电流通过。这种纳米电路的重要性不仅在于它的大小。这一发现甚至连它的创造者都感到困惑，这种分子还可以充当强大的信号放大器，这是晶体管的重要组成部分，可以增强电子信号（或增益）。 “我们很惊讶能够在低电压下（运行）并实现如此高的增益，”Schon 说。“这是一个非常令人愉快的惊喜。”

惠普公司量子科学研究主管斯坦·威廉姆斯 (Stan Williams) 表示，如果分子可以兼作晶体管和放大器，那么逻辑门（以及整个芯片）不仅可以变得更小，而且成本更低：“结果非常惊人，也非常令人费解。如果事实证明如此，它有可能超越硅的最佳性能。”

Williams 和 HP 研究员 Phil Kuekes 即将把分子电子学与硅技术结合起来。去年 7 月，他们发明了一种可以让分子大小的电路与传统半导体进行通信的方法，并因此获得了专利。到 2005 年，他们和加州大学洛杉矶分校的一组研究人员预计将生产出 16 千比特的内存电路。Williams 表示，10 到 15 年后，纯分子电子电路将开始取代手持式计算机等设备中的传统芯片。也许最大的影响将出现在生物医学植入物中——微型计算机可以插入人体，例如测量胰岛素水平或警告即将发生的心脏病。人们正在对细胞机制和 DNA 水平的细胞信息交换进行大量研究，总有一天，微型机器将知道如何用细胞语言与细胞对话。

然而，这一切的结局都只是猜测：“我们距离仅仅通过将某种东西插入我们的身体来增强人类的身体或精神能力还有很长的路要走，”威廉姆斯说。

计算机双螺旋结构
除了硅和分子电子学之外，还有对计算的重新定义，这些定义更加奇怪，也更难以想象。一种方法是利用 DNA。这是有逻辑的：DNA 是自然界中极其高效的生命过程数据存储和传递机制，而人们熟悉的四碱基双螺旋结构在分子水平上编码了大量信息。DNA 以一致可预测的方式组合，一茶匙可以容纳 10 万亿条 DNA。通过将这些 DNA 链变成一种“处理器”，科学家们预计将建造一台可以同时执行数万亿次计算的纳米计算机。

1994 年，南加州大学教授 Leonard Adleman 利用 DNA 解决了汉密尔顿路径问题，即旅行商问题，开创了先河。该问题寻求多个城市之间的最短路线，且每个城市访问次数不得超过一次。当只涉及几个城市时，您可以用铅笔和纸来解决这个问题。随着城市数量的增加，传统计算机必须按顺序尝试的潜在路线数量呈指数级增长。为了快速得到答案，您必须将问题分摊给大量并行工作的计算机。或者，您可以像 Adleman 那样，通过让几茶匙 DNA 同时生成所有可能的解决方案来解决难题。

阿德曼阐述了进行大规模并行化学反应的方法——每个可能的答案都以 DNA 代码链的形式提供——然后花一周时间从正确答案中筛选出错误答案。使用 DNA 进行计算可能听起来很奇怪，但它是生物化学研究的必然产物，这种研究使科学家能够解码、操纵和合成植物和动物的遗传物质。

今年 3 月，Adleman 和他在南加州大学的同事报告称，DNA 计算向前迈进了一大步，解决了他们所说的非电子设备有史以来解决的最大问题。在这次实验中，Adleman 试图为一群挑剔的派对常客编制一份可行的宾客名单，每个常客都提出具体要求：只有某某被冷落而我的好朋友某某被邀请时，我才会来。为了满足 20 位如此挑剔的出席者的要求，必须考虑超过一百万种宾客组合。经过四天的化学反应和代码筛选，在此期间，代表各个派对常客的核酸相互吸引和排斥，Adleman 的 DNA 计算机生成了主派对名单。这并不是南加州大学的研究人员第一次尝试使用 DNA 计算机解开派对之谜，但早期的努力最多涉及 9 名宾客。考虑到 20 个人的偏好，这需要通过数万亿个 DNA 分子片段进行计算，这是一项艰巨得多的实验。

其他研究人员则认为，基于可靠、稳健的 DNA 结构（而不​​是漂浮在溶液中的链）的 DNA 计算可能更加强大。杜克大学的一项成果取得了成功，计算机科学家 John Reif 和 Thom LaBean 正在研究所谓的 DNA 瓦片——编织成互锁结构的核酸链，这些链通过与其他瓦片的相互作用形成简单的逻辑电路。LaBean 和 Reif 正在最简单的二进制级别测试他们的概念：组合后的瓦片是否可靠地像基本逻辑门一样运行？他们的初步测试证明，基于瓦片的 DNA 计算机确实可以工作。连接足够数量的此类逻辑门，结果可能是一台不大于泪珠大小的超级计算机。

即使是设计出一台小型的、功能齐全的 DNA 计算机，也必须克服巨大的障碍。首先，赖夫说，DNA 结构越复杂，就越有可能出错，从而导致计算错误。在自然界中，这些错误就是突变，通过不断的 DNA 修复来纠正错误是活细胞的天性；然而，DNA 计算中不存在这种自动纠正。此外，必须提取和分析包含“答案”的 DNA 部分。因此，研究人员仍然需要开发一种有效的方法来读取结果。否则，DNA 计算的速度就会被实际确定结果所需的时间所抵消。

“从理论上讲，”赖夫说，“你或许可以用 DNA 计算机做任何普通计算机能做的事情。但在实践中，你可能不会用它来运行微软 Windows。你会用它来做一些你无法在分子尺度上构建的东西。”

DNA 计算机的用途包括制造生物传感器，用于识别环境中的病原体或检测体内细胞水平的生化事件。另一个合理的用途是：部署 DNA 计算机，帮助在日益扩展的基因研究领域进行海量数据搜索。

量子飞跃

量子计算将分子电路的纳米级世界与 DNA 的并行处理速度相结合，然后又增加了其自身的奇妙之处。

在量子计算机中，原子核充当着所谓的量子位，即二进制代码的 1 和 0。当原子核自旋指向“上方”时，就是 0；当它指向下方时，就是 1。但在量子计算中还有第三种可能性：原子核可以处于一种特殊的量子态，使其能够同时占据两个位置。这种现象称为叠加，它奠定了量子计算机巨大潜在能力的基础。如果原子核可以同时表示 0、1 或两者，那么一个量子位就可以完成两个普通位的工作；2 个量子位可以完成 4 个量子位的工作；4 个量子位可以完成 16 个量子位的工作，依此类推。继续按指数级上升，很快相对较小的量子计算机（比如 40 个量子位）就能达到超级计算机的容量。事实上，由于原子核非常滑，传统计算机甚至难以精确模拟少量原子的量子行为；量子计算机可能更擅长研究量子行为。

问题在于：根据量子力学的奇特规则，一旦你观察到原子核的状态，它就不再处于叠加态，而是冻结为 0 或 1。庄在 IBM 工作的高压锅式机器旨在使原子保持叠加态足够长的时间以进行计算。“诀窍是创造一种分子，它可以在量子态中停留很长时间——在这种情况下，是 1.5 秒，”他说。“对于量子来说，这是永恒的时间。在生活中，你通常不会看到一个东西同时处于两个地方。”

Chong 参与设计了四台量子计算机，每一台都比前一代更复杂。去年秋天，他的 7 量子比特机器首次实现了重要的素数分解算法。分解素数对加密至关重要；加州大学戴维斯分校计算机科学副教授 Fred Chong 估计，当今最快的计算机需要数十亿年才能分解 300 位加密密钥，因为它需要费力地尝试一种又一种可能性；而量子计算机可以在大约 30 小时内破解密码。

但那需要一台拥有数十万个量子比特的量子计算机——即便是最乐观的研究人员也表示，这样的系统至少还需要 15 年的时间。事实上，Chuang 并不认为他目前的方案能够实现 10 到 20 个量子比特以外的量子比特，因为测量自旋方向的磁信号——以及确定量子比特是 1、0 还是两者兼而有之——会随着量子比特数量的增加而变得越来越微弱。因此，研究人员正在探索其他技术，例如将量子比特封装在固态“笼子”中，并用激光读取它们。“这个领域没有人明白发生了什么，”Chuang 笑着承认。“量子物理学违背了我们的直觉。”

许多科学家仍然认为纳米计算机将仅限于高度专业化的应用，如密码学或数据库搜索。这种保守主义是有先例的：房间大小的 ENIAC 最初是为计算炮弹的轨迹而制造的，而大约在同一时间，IBM 董事长托马斯·沃森发表了他著名的言论，称全球市场可能需要五台计算机。从那时起，IBM 及其继任者为计算机提出了更多用途；纳米计算机很可能也会遭遇同样的命运。如果过去半个世纪的计算机革命可以作为参考的话，那么随着机器越来越小，可能性只会越来越大。

回顾过去：体力大于智力
《大众科学》对计算机的报道始于 20 世纪 40 年代，当时出现了第一批房间大小的庞然大物，如 Mark I 和 II、ENIAC 以及麻省理工学院的 100 吨重的“机电差分分析仪”。右边是 Mark II 的“错综复杂、弹簧床般的线路迷宫”，由哈佛计算实验室制造。早期的报道对计算机的速度赞不绝口，如今台式计算机可以轻松超越它。1946 年 1 月，我们这样评价麻省理工学院的这台庞然大物：

“只需几分钟，或者最多几个小时，这台巨型计算机就能解答那些原本训练有素的人需要数周才能解决的复杂问题。

该计算器一次可以解决三个问题，每个问题都有多达 18 个变量，它包含 200 英里长的电线、2,000 个电子管、几千个继电器和大约 150 个电机。尽管它看起来非常复杂，但一个人就可以操作它。”