我们都知道量子电脑有强大的计算能力，但似乎很少有人提及它的缺陷：由于量子电脑的本质原因，你不可以在上面保存或复制资讯。这是由量子电脑的本质所决定的，思考一下，量子态永远处于概率中，一旦有观测就会发生坍塌，所以，复制当然是不可能的了。如今，科学家们正致力于解决这个问题，其中一种方案就是使用 DNA 来储存资讯，让我们一起来了解一下。
你肯定听过这种炒作：量子电脑的革命时代正在到来。物理学家说，这些电脑的速度快到可以破解银行现在使用的每一种加密模式。它们的人工智能如此先进，你可以载入元素周期表还有量子力学的法则，它们能够设计出目前为止最高效的太阳能电池。它们很快就会到来了：Google 的研究人员 3 月早些时候在《自然》杂志上发表称，他们预计最早在 5 年内推出商业化的量子电脑。而且 Google 想要在今年末构建并测试一台 49 量比──也就是“量子位元”──的量子电脑。一些专家称，一台 50 量比的电脑性能要超过任何一台传统电脑。
但是存在一个大问题：由于量子电脑的本质原因，你不可以在上面保存或复制资讯。如果不能备份工作成果，那么再强大的计算能力也没用武之地。你可以转变一下量子数据，然后把它放在一个传统储存装置里，但这些转化过的资料会占用很大的空间。所以，物理学家们在搜寻一种由新的材料（包括 DNA）制作的可靠、超级压缩的硬盘驱动器。
量子电脑之所以如此强大，正是因为资料密度。一台传统的电脑阅读、储存、控制位元：1 和 0。但量子电脑使用的是量子位元：一种在你观察时，可以同时存在两种状态的小小量子物质──0 和 1。而如果你可以在两种状态叠加的情况下控制量子微粒，那么你就可以平行处理多项任务。这能提高与计算有关的特定任务处理速度。这种速度不会让 Netflix 观看体验更好，也不能让微软 Excel 承受能力更强。但是它在执行搜寻算法或是和有机物质或人脑相似的类比复杂系统时，速度将会非常快。
量子力学拥有不可思议能力的同时，也存在一定的缺点。它的法则允许叠加，但是也禁止任何人复制量子微粒。“这叫做‘不可复制原理’”，加拿大西蒙弗雷泽大学的物理学家 Stephanie Simmons 说。她说量子电脑会把原子程式设计为特定的原子状态，代表一连串数字。想让电脑给另一个原子编出完全一样的原子状态在物理上几乎不可能。
所以 Simmons 提出一个比较婉转的储存量子数据方式：首先，你要把它转化为二进制资料──把描述出原子叠加的数字翻译成简单的 0 和 1；然后，再用传统储存形式把这些转化来的资料存起来。换句话说：硬盘驱动器。一个超级压缩的硬盘驱动器，因为一台 49 量比电脑的每个量子数据档案大小可达到 4 万支影片的规模。
为了储存如此巨大的资料，量子电脑的开发者们需要新的资料储存科技，Simmons 说。现在商业化的驱动器压缩程度还不够。一个单一量子档案会占到一个固态硬盘驱动器上一张邮票大小的地方。
所以 DNA 是可供选择的储存方案。《科学》杂志 3 月早些时候发表称，科学家已经证明 1 克 DNA 可以储存 215 兆百万字节，或者说 2.15 亿千百万字节的资料。在这种密度下，两辆货卡就可以装下人类所有的资料。和传统的硬盘驱动器只在二维表面上储存资料不同，DNA 是在三维分子上储存资料的，多出来的那个垂直维度使 DNA 每单位储存的资讯多得多。
而且，它可以持续很长时间。“想一想你 1990 年代买的 CD，”哥伦比亚大学的电脑科学家 Yaniv Erlich 说，他正在研究这一领域。“它们可能有些地方被刮花了，而你已经不能准确读出那些资料了。但 DNA 却可以在很长一段时间内储存资讯，我们现在可以非常准确地读出几千年前骨骼上的 DNA。”
另一种超压缩技术将比特编译在单一原子上。IBM 的研究人员上个星期发表文章说，他们把比特储存在一个单一原子上，然后又把资料成功地读取出来。为了做到这一点，他们把钬原子嵌在一块芯片上，然后利用电子设备控制每一个原子产生内在磁场的方向。
他们发现，当原子之间的距离为 1 毫微米，他们就可以独立控制原子。所以基本上可在每个原子上编译 1 比特。不可能超过这种密度了，IBM 的物理学家 Chris Lutz 说。商业化的硬盘驱动器在至少 10 万个原子上储存 1 比特──就算是 DNA 的碱基对都是由 30 个原子组成的。
这两种技术都和量子电脑本身一样，距离商业化还需要一定的年份。DNA 的合成非常昂贵，而且读取时间也很长。而要在单一原子上储存资料，你需要保持原子处于极度低温的状态──大概接近绝对零度──因为不然的话，原子会彼此干扰并覆盖它们的资料。除此之外，大量的量子运算还需要开发出一些算法以便把量子数据高效地压缩转化为二进制──然后还要设计出能够执行这些算法的硬件。
就算 Google 打算运行 49 量比的量子电脑，他们其实也不清楚量子电脑到底该如何备份资讯。“我看到前路上还有许多巨大的挑战。”Simmons说。因为如果量子电脑不能备份自己的资料，那么自动保存也将于事无补。
- What if Quantum Computers Used Hard Drives Made of DNA?
（本文由 36Kr 授权转载；首图来源：Flickr/IBM Research CC BY 2.0）
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