三、量子计算机原理与量子信息学基础 目前最快的超级计算机,对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解,要耗时上百亿年,而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机,只需大约一分钟。因此,人们一旦拥有了一台量子计算机,那么目前的密码系统将毫无保密性可言。潘建伟教授的量子纠缠经典信息处理的最基本单元是比特,即二进制数0或1;而一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串构成一个密钥,经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。如果密钥分配不是绝对保密,经典密码通信也就不可能绝对保密。但潘建伟等科学家最近开展的研究发现,基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配,却可以从根本上解决密钥分配这一世界性难题。虽然目前美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室,研制量子计算机运算器已成事实,但由于没有三旋理论的指导,西方量子计算机原理中存在有纰漏。 例如Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时,对量子位不动的几种陀螺旋转,就分辨不清,明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”,这是不确切的。其原因是体旋实际比面旋复杂。而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视,这类量子计算机原理中的纰漏,与量子计算机以量子态作为信息的载体有关。 因为,人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案,这使量子行为与经典物理的联系更紧密,但它也揭示出经典物理概念天生的不足,从而,非引入三旋概念莫属。即NeilGershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图,也类似陀螺或廻转仪,它们的进动和公转,是旋转概念中不好区分的一个问题,把自旋的定义转换成截面的定义来看待三旋,就很明白了。 (1)面旋:用一系列平行的截面来切一个作自旋的物体,如果能在每个截面内找到一个且仅有一个不动的转点的旋转,称为面旋。如果由这些不动点组成的转轴与截面正交,这些截面就称为面旋正面,这条转轴就称为面旋轴,也称面旋Z轴。 (2)体旋:物体作面旋,面旋轴只有一条,而面旋正面却有很多个,并且物体还可以绕其中一个面旋正面内的一条轴作旋转,这称为体旋。而这个面旋正面就称为体旋面,这根转轴称为体旋轴。但过这个面旋正面不动点的体旋轴还可以有许多条,因此在体旋面内选定一条作体旋X轴,那么体旋面内过不动点与它垂直的另一条轴就称为体旋Y轴。绕体旋X轴转90度,体旋面就与原先的位置相垂直,体旋Y轴这时也与原先的位置相垂直。如果体旋绕X轴再转90度,体旋面就翻了个面。其次,前面体旋面从开始位置转90度垂直起来时,还可以停下来绕体旋Y轴旋转若干圈,再停下来绕体旋X轴继续转90度从而回到开先的水平位置。从上可以看出,体旋实际比面旋复杂。而这一点恰恰是很多理论力学中没有提到的知识,因此容易把如廻转仪陀螺一类中心点不动,且存在面旋与体旋混合时的偏角不大的体旋,判为“进动”,这是不确切的。 (3)线旋:用一系列体旋轴与面旋轴构成的截面去切一个作自旋的物体,每个截面能显现闭封同心线的旋转,称为线旋。且每个截面内同心的不动点组成的圈线,称为线旋轴。从各个方向用一系列平行的截面去切一个物体,总可以找到一个相对截面面积最大的截面。以这个截面作水平面,并以它的相对中心点作垂直轴,再以这条垂直轴与过中心点的水平轴构成的一系列截面去切这个物体,又总可以找到一个相对截面面积最大的垂直截面。再比较这两个截面的大小,如果从肉眼上在短时间内能分辨得出来,就称为弱对称,或强不对称。反之,肉眼不能一眼区辨出来,就称为强对称或弱不对称。 即弱不对称的物体作自旋,难以区分它的面旋和体旋;而强不对称的物体作自旋,面旋和体旋的区分就很明显。三旋截面定义的扩充,正是增添这种强弱对称的区别。因为今后类粒子模型与类圈体模型,一般主要是看有没有孔洞这种拓扑不同伦的区别。然而在孔洞之外,也还有上述的那种区别,即球面一般是强对称物体,而环面一般是弱对称物体。取其强对称与弱对称的判别,而暂放开孔洞的拓扑分别来定义三旋,更具有广泛的范围,也有其数学内涵。 因为它还揭示了人类的科学文化无不打上地球的烙印。例如地球存在重力,就存在沿垂线,与此相应,也就有水平面,可以说这是无处不在的固有坐标系。与此坐标联系的转动物体,本身又带有一个移动坐标系,这两者都构成了三旋研究的对象。以陀螺为例,如果陀螺面旋轴处在沿垂线的位置,那么面旋正面一定都处在水平位置。此时所有的体旋X轴都是体旋水平轴,只有当体旋面绕X轴转90度处在沿垂线的位置,体旋Y轴才显示垂直轴性,并且还只有这一条。 其次,三旋的定义更细致地区分了转动、进动和自旋。因为不管陀螺的转体是强对称还是弱对称,不管陀螺是地螺式着地支撑还是灵敏元件式的多圈架支撑,它们都存在一个相对中的绝对参考系。即以沿垂线构筑的三角坐标系,用这个坐标系加上三旋坐标系,能够区别出陀螺的面旋,绕水平轴和垂直轴的两种体旋,以及进动或公转。 1、面旋和体旋形成的旋转体即使容易区分开来,面旋和体旋也是相互约定的。只有把其中的一种自旋定为面旋或体旋后,才能把绕另一条转轴的自旋定为体旋或面旋。 2、地螺的进动很明显,它的面旋轴偏离沿垂线,在不到90度的位置停下来,又绕沿垂线作圆周运动。这两者结合,既不是面旋、体旋,又不是公转,这种情形只能称进动。在灵敏元件廻转仪中,由于陀螺转体的质心不象地螺那样有倾倒变化,这种进动就更能迷惑人。因为此时,它既有以水平轴线作的体旋,又有以沿垂线作的面旋。这种与地球联系的三旋文化,已是超越地球渗透进宇宙和量子世界中的。 如果我们把宇宙、物质、生命的起源换成另一个命题:为什么变化、运动是绝对的?那么我们就可以回答,如果变化、运动是绝对的,那么宇宙、物质、生命的起源就是必然的。道理很简单:从零(无)产生的量子起伏分解出的正负事物,变化、运动必然产生数量巨大、结构复杂的衍生物。但如果由于它们的混沌、复杂、缠结而使变化、运动停止了,且不成了该命题的悖论,因此不管宇宙、物质、生命的可存在性的概率是多么小,都是混沌、复杂、缠结的衍生物在变化、运动濒临停止的无数次纠错中寻找到的一丝出口。 从这种角度来解读计算,也就能解读生命。因为生命的存在,没有量子计算机的参与是不可想象的。即我们今天理解量子计算机,不仅因为技术的发展本身已能促使量子计算机的出现,而且还是我们看到生命本身需要量子计算机赛过人类工作需要量子计算机,即体内解需要量子计算机赛过体外解需要量子计算机。解读计算是解读生命,解读生命也就是解读计算。生命的解读为量子信息学打开了广阔的大门,而量子信息学的进展又为人类认识生命提供了钥匙。但不管是量子计算机还是DNA计算机都还不成熟,都还不能立即投入应用。
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