17、量子力学计算机：原理、构建与操作

量子力学计算机：原理、构建与操作

在计算机技术的发展历程中，能耗和计算效率一直是核心关注点。传统计算机在运行过程中会产生大量的热量，这不仅限制了计算机的性能，还增加了能源消耗。而量子力学计算机的出现，为解决这些问题提供了新的思路。本文将深入探讨量子力学计算机的相关原理、构建方法以及操作流程。

理想计算机的最小自由能

在探讨量子力学计算机之前，我们先来思考一个问题：由基本元件构成的理想计算机运行时，必须消耗的最小自由能是多少？以“与”（AND）运算为例，无论之前状态如何，输出线的值由两种情况决定，此时熵变为 $\log2$ 单位，在温度 $T$ 下，这代表产生了 $kT \log 2$ 的热量。多年来，人们一直认为这是计算过程中每个基本步骤必须耗散的热量的绝对最小值。

然而，在实际的计算机中，情况并非如此。目前使用的晶体管系统，每次基本步骤的热量耗散约为 $10^{10}kT$。Bennett 指出，这是因为改变电线电压时，需要通过电阻将其接地，再通过电阻给电线充电。如果能将能量存储在电感或其他电抗元件中，能耗可能会大幅降低，但以目前的技术，在硅片上制造电感元件非常困难。即使是自然界的 DNA 复制机制，每复制一位也会耗散约 $100 kT$ 的能量。当前实际能耗与 $kT \log 2$ 相差甚远，因此认为这个值仍然过高，而最小值实际上为零的观点似乎有些荒谬。但后续我们会探讨更“疯狂”的设想，即使用单个原子来存储位信息，而非目前的 $10^{11}$ 个原子。

Bennett 还指出，之前认为的最小能耗极限是错误的，因为计算不一定需要使用不可逆的基本元件。可以使用仅包含可逆基本元件的可逆机器进行计算，这样所需的最小自由能与计算的复杂度或逻辑步骤数量无关，理想情