从活捉粒子看量子：在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的单位就叫做量子。
2030 年 4 月 10 日清晨，美国基因临床医学家沙朗·奥亚在自己位于芝加哥市郊公寓的精心呵护下早早醒来。
一整夜，床头柜中的精确传感器都在监测她的呼吸、心律和大脑活动。
盥洗室的水池已经分析过了她昨晚留下的一小滴血样，了解自由基和癌前期细胞的情况。
今晚，就会有一批合适的预防药物送到她在亚特兰大的旅馆。
这是一项昂贵的服务，都是量子计算机的杰作，但作为一名科学家，时时了解自己的健康状态，奥亚认为是值得的。
她走进淋浴间，里面的瓷砖探测到她的出现，首先向她道贺：“生日快乐！”沙朗笑了，今天也是她 30 岁生日。
巧的是，今天也是第一台量子计算机问世 20 周年纪念日。
不过，她对量子位（最小的量子信息单位）诞生前的世界知之甚少。
早餐后她穿戴整齐，选了一顶时髦的卷边草帽戴在头上。
量子计算技术使服饰行业出现了出人意料的复兴：在帽沿周围的缎带里，是沙朗的通讯中心和智能助理，它们已经浏览过她昨晚收到的 50 万封电子邮件，并进行了分类。
等她走到汽车前时，这个系统已经在她的大脑视觉皮层上播放了最重要的 10 封邮件和她的行程表。
所有的文字都从她的视野上方向下滚动，直至在底端消失。
她的这辆氢燃料汽车知道今天会是一个反常的温暖天气。
实际上，因为有了量子计算机的模拟系统，它5年前就已经知道今天的天气了，汽车还会把天气信息自上而下地滚动显示给她看。
沙朗开车上了高速公路，拐进智能道，疾驰而去。
帽带里的智能系统为她放映父母发来的生日录像和老板发来的经过高级加密的备忘录。
机场没有检票口或警戒线。
沙朗只需要通过一扇旋转门，它会检查她是否携带了危险品，核对她的身份，确认机位预订情况，然后将登机牌交给她，整个过程只需要一秒钟。
她甚至不用费事去查看飞机是否准时，因为航班的模式就像天气一样可以计算，该机场5年来还没有延误过一次起飞。
在行李托运处，她看到一个熟悉的男子，头上戴着一顶酷似犹太人的圆顶小帽般的智能帽。
沙朗帽子上的缎带已经开始工作了，闪出他的虚拟名片，旁边是从谷歌搜索到的关于他的前 10 条记录。
“霍顿医生，”她喊道，“真高兴再见到你！”霍顿医生的眼睛轻轻闪烁了几下，只有这个细节泄露了他也在搜索沙朗的详细资料。
“你好，奥亚小姐，”他说，“祝你今天过得开心。
”沙朗露出灿烂的笑容，心里默默地感谢那位量子计算机的创造者。
以上描述显然还是科幻小品里的情景，但人造卫星、登月计划以及最原始的微处理器也曾经都是科幻小说中才有的东西。
然而，对于处于量子计算技术领域前沿的科学家来说，上面的情景还是比较保守的预测。
“真正的计算技术时代甚至还没开始，”全球电脑商巨头惠普公司的科研专家斯坦·威廉斯说，“我们现在拥有的只不过是一些小玩具，比算盘高明不到哪儿去。
我们面临的挑战是尽可能接近物理学的基本定律。
”1900年，诺贝尔物理学奖的获得者、德国物理学家马克斯·普朗克在对热辐射的研究中第一个窥见了量子。
这一年的12月14日，普朗克宣布了他的伟大发现——能量量子化假说。
根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这一最小能量元被称为“能量子”。
普朗克的能量子概念第一次向人们揭示了微观自然过程的非连续本性，或称为量子本性。
1905年，德裔美国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了光量子假说，进一步发展了量子概念。
爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子组成的。
利用这一假说，爱因斯坦成功地解释了光电效应等实验现象。
光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性，即光不仅具有波动性，同时也具有粒子性。
1913年，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼进一步发现了原子系统的量子特性，把量子概念成功地应用于氢原子系统，并根据卢瑟福的核型原子模型创立了玻尔原子理论。
这一理论指出，原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上，并且电子在不同能量定态之间的跃迁本质上是非连续的。
1924年，法国著名理论物理学家路易·维克多·德布罗意在爱因斯坦光量子概念的启发下，提出了物质波假说，最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子，从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性，或称为量子特性。
德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础。
正是这种非连续运动导致了原子系统分立能级的存在，正是这种非连续运动导致了光波的粒子性表现，因而成功地解释了光电效应。
这种非连续运动还导致了原子系统的稳定存在，而原子的稳定性在当时仍是一个谜，因为连续运动的概念无法解释这一现象。
人们将量子的发现称为人类科学和思想领域中的一场伟大的革命，因为它会让所有第一次试图接近它的人感到从未有过的心灵震撼。
现代人所缺少的正是这种真正的心灵震撼，他们太沉迷于感性的快乐，而忽视了理性的清新魅力。
6年前，量子计算机已显示出其独特的功能，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量，这一突破性进展可提升分子系统模拟的准确性，拉开了量子计算在化学领域实际应用的序幕。
研究人员使用了2个纠缠的光子编码信息对氢分子系统进行了模拟。
每个光子计算出的能量级别可达20比特的准确度，能让氢分子的几何态清晰可见，大大超出了传统计算机的能力范围。
目前的超级计算机仅能对简单的分子系统进行粗略的模拟，随着原子数量以及分子系统复杂程度的增加，计算时间也将呈指数级增长。
而量子计算机则具有解决这一问题的巨大潜力。
量子计算机摒弃二进制，而采用量子比特存储信息，量子比特可以同时表达二进制中的“0”和“1”。
因此，在存储更多信息的同时也大大缩减了计算时间，从而可以对化学分子系统进行准确、快速的模拟。
长期以来，对于很多理论化学家来说，最大的困扰便是如何能准确地对化学分子系统进行模拟。
这一快速计算方式开辟了准确模拟复杂分子系统的新途径，而且量子计算不仅在化学实际应用中得到突破，也将应用于密码学和材料科学等领域，并有望实现对能量构成极低的胆固醇等复杂分子系统的计算和模拟。
3年前，美国国家标准与技术研究所的专家利用现有的电子工业技术，制造出一种平面结构的离子陷阱，使得离子陷阱制造规模迅速扩大成为可能。
该研究所资深专家菲尔兹·鲍姆拉教授说，该技术有望用于大规模制造量子计算机的基本元件——量子比特，加快量子计算机研制过程。
美国研究人员成功地使金制棒状电极平行排列在硅芯片的一个平面上，再利用照相平版印刷术将相关的电路蚀刻到这个平面上。
研究人员说，这样就可以非常简单地制作大量同样的产品，众多离子陷阱可以被串联起来，形成量子芯片。
传统计算机用电位高低表示0和1进行运算，量子计算机则用粒子的量子力学状态，如原子的自旋等表示0和1，称为“量子比特”。
离子陷阱是目前实现量子比特的最佳手段，其做法是利用电极产生电场，把经过超冷处理的离子“囚禁”在电场里。
在以往的研究中，人们通常要把电极搭建成立体的笼状结构，才能成功地捕获并囚禁离子。
这种立体离子陷阱难以相互连接，而真正实现量子运算需要许多量子比特协同工作。
于是，研究人员决定另辟蹊径，开创性地运用平面离子陷阱捕捉离子。
然而专家也指出，虽然他们已经成功地用平面离子陷阱捕捉了12个镁离子，但这种离子不太适合激光操作。
用激光改变量子比特的状态是进行量子运算的基础，因此研究人员现在面临的首要问题是，确保平面离子陷阱可以捕捉更适用于量子计算机的离子。
在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态，也就是不确定的“超态”。
这种特性使量子计算机可以同时进行大量运算，比传统计算机要快得多。
虽然分子、光子和量子计算机的研究还处在实验初期阶段。
但由于它们具有很高的应用价值，美国、日本以及欧洲的一些政府一直投入巨资资助相关研究。
2000年，IBM公司声称研制成功了5个量子位（比特）的量子计算机，在国际上引起轰动。
2003年10月，日本电气公司基础研究所的研究小组用氧化铝制成了1/500毫米大小的电路，在近于绝对零度（零下273℃）的极低温条件下，控制处于超导状态的电子量子，成功完成了预定运算程序。
2005年12月，日本产业技术综合研究所开发出一种固态量子计算机光控新装置，它具备多“量子位”的处理能力。
现有的量子计算机模型主要可分为两类，一类是利用原子陷阱、离子陷阱等俘获光子、原子等以实现“量子位”的非固态量子计算机；另一类则是采用半导体、超导体等元件的固态量子计算机。
由于非固态量子计算机有“量子位”数存在极限的问题，近年来围绕固态量子计算机的研究渐趋活跃。
日本产业技术综合研究所的研究人员首先将2个所谓的“量子点”在砷化镓层上近距离排列，形成复合“量子点”，然后将被俘获到每个“量子点”中的激子都作为一个“量子位”，并在此基础上制成具有2个“量子位”处理能力的装置。
研究人员说，该装置复合“量子点”中的2个激子，其状态都可以分别用光独立控制。
这种光控装置不仅运算速度快，类似技术还可用于量子密码研究领域。
新装置的研制成功，意味着量子计算机研究又向前迈进了一步。