量子計算機無法復制粘貼，一種解決方案是把DNA制作成硬盤

編者按：都知道量子計算機有強大的計算能力，但似乎很少有人提及它的缺陷：由于量子電腦的本質原因，你不可以在上面保存或者復制信息。這是由量子計算機的本質所決定的，思考一下，量子態永遠是處于概率之中，一旦有觀測就會發生坍塌，所以，復制自然是不可能的了。如今，科學家們正致力于解決這個問題，其中一種方案就是使用DNA來存儲信息。讓我們來一起了解一下。

你肯定聽到過這種炒作：量子計算機的革命時代正在到來。物理學家們說，這些計算機的速度快到可以破解銀行現在使用的每一種加密模式。它們的人工智能如此先進，你可以載入元素周期表還有量子力學的法則，它們能夠設計出目前為止最高效的太陽能電池。它們很快就會到來了：谷歌的研究人員本月早些時候在《自然》雜志上發表稱，他們預計最早在五年內推出商業化的量子電腦。而且谷歌想要在今年末構建并測試一臺49量比——也就是“量子比特”——的量子電腦。一些專家稱，一臺50量比的電腦性能要超過任何一臺傳統電腦。

但是存在一個大問題：由于量子電腦的本質原因，你不可以在上面保存或者復制信息。如果不能夠備份自己的工作成果，那么再強大的計算能力也沒有什么用武之地。你可以轉變一下量子數據，然后把它放在一個傳統的儲存設備里，但是這些轉化過的數據會占用很大的空間。所以，物理學家們在搜尋一種由新的材料（包括DNA）制作出來的可靠的、超級壓縮的硬盤驅動器。

量子電腦之所以如此強大，正是因為它們的數據密度。一臺傳統的電腦閱讀、儲存、控制比特：1和0。但是量子電腦使用的是量子比特：一種在你觀察的時候可以同時存在兩種狀態的小小的量子物質——0和1。而如果你可以在兩種狀態疊加的情況下控制量子微粒，那么你就可以平行處理多項任務。這能夠提高與計算有關的特定任務的處理速度。這種速度不會讓你的Netflix觀看體驗更好，也不能讓你的微軟Excel承受能力更強。但是它在運行搜索算法或是和有機物質或人腦相似的模擬復雜系統時，速度將會非常快。

但是量子力學擁有不可思議的能力的同時也存在一定的缺點。它的法則允許疊加，但是同時也禁止任何其他人復制量子微粒。“這叫做‘不可克隆原理，’”加拿大西蒙弗雷澤大學的物理學家Stephanie Simmons說。她說量子電腦會把原子編程為特定的原子狀態，代表了一連串的數字。想讓電腦給另一個原子編出完全一樣的原子狀態在物理上幾乎是不可能的。所以Simmons提出了一個比較婉轉的儲存量子數據的方式：首先，你要把它轉化為二進制數據——把描述出原子疊加的數字翻譯成簡單的0和1。然后，再用傳統的存儲形式把這些轉化過來的數據存儲起來。換句話說：硬盤驅動器。一個超級壓縮的硬盤驅動器，因為一臺49量比的電腦的每一個量子數據的文件大小可以達到4,0000個視頻的規模。

為了儲存如此巨大的數據，量子電腦的開發者們需要新的數據存儲科技，Simmons說。現在商業化的驅動器壓縮程度還不夠。一個單一量子文件會占到一個固態硬盤驅動器上一張郵票大小的地方。

所以DNA是可供選擇的儲存方案。《科學》雜志本月早些時候發表稱，科學家已經證明1克DNA可以儲存215兆兆字節，或者說2.15億千兆字節的數據。在這種密度下，兩輛皮卡車就可以裝下人類所有的數據。和傳統的硬盤驅動器只在二維表面上儲存數據不同，DNA是在三維分子上儲存數據的。多出來的那個垂直維度使得DNA每單位存儲的信息要多得多。

而且，它可以持續很長時間。連云港數據恢復“想一想你90年代買的CD，”哥倫比亞大學的計算機科學家Yaniv Erlich說，他正在研究這一領域。“它們可能有些地方被刮花了，而你已經不能準確地讀出那些數據了。但是DNA卻可以在很長一段時間內儲存信息。我們現在可以非常準確地讀出幾千年前的骨骼上的DNA。

另一種超壓縮技術將比特編譯在了單一原子上。IBM的研究人員上個星期發表文章說他們把比特儲存在了一個單一原子上，然后又把數據成功地讀了出來。為了做到這一點，他們把鈥原子嵌在了一塊芯片上，然后利用電子設備控制每一個原子產生的內在磁場的方向。他們發現，當原子之間的距離有1毫微米的時候，他們就可以獨立控制原子。所以基本上可以在每個原子上編譯1比特。不可能超過這種密度了，IBM的物理學家Chris Lutz說。商業化的硬盤驅動器在至少100,000個原子上儲存1比特——就算是DNA的堿基對都是由30個原子組成的。

這兩種技術都和量子電腦本身一樣，距離商業化還需要一定的年份。DNA的合成非常昂貴，而且讀取時間也很長。而要在單一原子上儲存數據，你需要保持原子處于極度低溫的狀態——大概接近絕對零度——因為不然的話，原子會彼此干擾并覆蓋它們的數據。除此之外，大量的量子運算還需要開發出一些算法以便把量子數據高效地壓縮轉化為二進制——然后還要設計出能夠執行這些算法的硬件。

就算谷歌打算運行它的49量比的量子電腦，他們其實也不清楚量子電腦到底該如何備份信息。常州數據恢復“我看到前路上還存在著許多巨大的挑戰。” Simmons說。因為如果量子電腦不能夠備份自己的數據，那么自動保存也將于事無補。