十億分之一公尺驚異世界

奈米技術 NanoTechnology (5)

「單原子記憶體」

全球100億年份的書籍可以記錄在方糖大小的記憶體內 ???!!!

2000年1月,美國克林頓總統宣佈奈米技術是國家最重要的課題之一 。當時揭示的目標中,有一個項目是將國會圖書館所有資料收納在方糖大小的記憶體內。若能以1個原子記錄1位元 (bit),將可製造出超高密度記憶體。

   l立方公分的立方體內究竟有多少個原子呢?大阪大學產業科學研究所川合知二教授表示︰「l公分為108 (1億)個原子排成的大小,以立方體考量,3個方同相乘,方糖大小的立方體約含書108x1O8x108=1024個原子。」

    川合知二教授說︰「雖然書有厚度,但是1本書的資料量若以108位元計算,那麼1016本以1年收藏100萬本計算,大約100億年份的資料可以記錄在1立方公分的大小中。」以日本字來說,1個字需要16位元來表示,108位元的資料量僅以文字資料計算,需要1萬5000張以上的400字稿紙來記錄。

    這麼龐大的資料量如何記錄、讀取呢?一個一個原子地操作,處理起來須耗費許多時間。川合教授表示︰「有利用微機器(micromachine)技術的方法,以及妥善利用自我組織化的方法。」川合教授說:「不是用1根針一個一個原子地操作,而是用10萬根針同步操作。1根針每秒操作1個原子需要3天的作業,10萬根針只需1秒鐘就可完成。此外,還可以考慮將程式寫進DNA之類的分子,再根據該程式悄悄地同步重複作業。」

 

「量子電腦 Quantum Computing」

到了2030年,只要數十分鐘即可完成目前需數百年才能完成的計算

年來研究人員發現,如果利用控制微觀世界的量子力學,將可根據與以前電腦所根據的原理不同的新原理來計算,這種計算稱作「量子計算」(quatum computing)。   1980年代前半葉,美國物理學家費(Richard phillips Feynman)等人雖然想到利用量子力學來計算,但是當時被懷疑這樣真的能製造出可用的電腦嗎?

    儘管如此,貝爾實驗室(Bell Labolatory) 的修亞博士在1994年還是利用量子計算,發現了能夠在短時間內執行大數質因素因子分解 (factorization in prime factors)的算則(algorithm),這使得被認為癡人說夢的「量子計算」帶有應用可能性的現實味。

可以解讀密碼  

東京工業大學青柳克信教授(兼日本理化學研究所聘用主任研究員)表示︰「修亞博士證明了量子計算與現代社會資訊的中樞 ----- 密碼密切相關。」

    目前的線上交易等即由密碼化技術支撐,密碼的安全性基於向來的電腦須耗費天文學時間去執100位數以上的大數質因素因子分解,事實上等於解不了。

青柳教授按著表示:「因此,如果量子電腦可以在瞬間解讀出密碼,將能夠使現代保全技術的基礎一舉崩潰,這對今後的資訊化社會來說將是極大的衝擊。」

計算速度突飛猛進的原因  

現在的電腦是以「位元」為資訊的最小單位,來讀取1或0的值。相對來說,量子電腦則是以1和0疊加(superposition)表示的「量子位元」(quantum bit)為資訊的最小單位。在量子力學控制的世界裡,對於電子能夠取得的兩個狀態,可能呈現「量子力學疊加狀態」,也就是「兩種狀態都有」的奇妙狀態。

量子電腦就是對這種量子位元進行演算。1量子位元有2個疊加狀態,2量子位元有2^2(=4)個疊加狀態,3量子位元百2^3(=8)個疊加狀態,隨著量子位元數增加,疊加狀態數也以指數函數 (exponential function) 增加。由於量子電腦可以同時針對這許多疊加狀態加以演算,在某種計算上的計算速度便突飛猛進。

  如果1000量子位元的量子電腦實用化,只花數十分鐘,將可計算目前超級電腦須花數百年計算的多位數質因素因子分解。

不斷開發的量子位元裝置

1999年,日本電氣公司基礎研究所中村泰信主任領先世界,成功開發與真的製造出量子電腦有關的單量子位元固態裝置(1 quantum bit solid-state device,即超導量子位元裝)而受到矚目。

他將矽基板上的鋁薄膜製超導電路冷卻到-273℃左右(正確地說為絕對溫度0.03K),在-273℃下製造出10的疊加狀態。

,將有可能像目前製造電腦那樣,利用積體電路(integrated circuit) 製造量子電腦。目前中村主任正致力開發2量子位元裝置。

  此外,日本理化學研究所青柳教授研究室也以碳奈管製「量子點」(quantum dot),嘗試製造量子位元裝置。

  量子點是1邊大約10奈米的超微粒狀物質,內部電子波行為明顯。青柳教授表示︰「以碳奈管為材料,只要控制長度,或許可以製造出性能極佳的量子位元裝置。」(有關碳奈管的說明,於後文會有更詳盡的講解)

量子電腦擅長的計算

  量子電腦能超高速作任何計算嗎?中村主任說︰「量子電腦最適合處理像大數質因素因子分解那樣必須一一執行的龐大計算,因此可以在資料庫檢索、解決某物種最適化問題等方面發揮威力。」

「量子電腦將來可能不像現在個人電腦那樣屬於廣泛應用型,而是像超級電腦那樣,在必須超高速執行特定、龐大計算的條件下才使用。」中村教授接著說。

製造量子電腦的關鍵

製造量子電腦會碰到什麼難題?中村主任表示︰「如何長久維持量子力學上的疊加狀態,是製造量子電腦會碰到的最大難題。關於這一點,超導狀態最容易保有量子力學性質。」「為了真正活用量子電腦的性能,還必須將大約1000個裝置集合在一起。如何開發這個巧法也是一大難題。」中村教授接著說。

  那麼何時可以製造出夢幻超高速計算機----量子電腦呢?青柳教授預料︰「如果有若干突破,2030年左右或許可以製造出量子電腦。」