量子物理掌握着在硅后期时代进一步推进计算的钥匙
计算机技术和物理学之间的数十年的友谊一直是一种非凡的和高尚的友谊，这种友谊已经结出了有益的果实。当今的实验物理学家和理论物理学家都离不开计算。
在这篇文章中，我们讨论半导体器件的几何尺度在物理学和经济学上的极限，这个尺度在过去的50年中一直是计算机工业进展的基础。现在让我们预测一下2010年以后的某个时期当我们遇到基本的物理学的障碍时，我们应该做出哪些对我们可能有利的选择。
摧毁性的技术
第一台储存程序的电子计算机——ENIAC（电子数字积分器和计算机），是在1946年问世的。作为真空管技术的一个主要成就，ENIAC可以在一秒内完成5000个数字的相加运算。按照这样的速度，它可以仅用30秒就计算出一个炮弹的飞行轨道，而一个利用数字计算器的专业人员需要近40个小时才能完成这个任务。ENIAC在9年以后因为美国的军方无力满足运行和维持它的费用而被关闭，然而当时它依然是地球上速度最快的计算机。
然而，甚至在ENIAC的早期，专家们也梦想着制造出更小、更快和更可靠的计算机。在《大众机械》1949年3月号上由一组专家撰写的一篇文章充满信心地预言：在未来的某一天，一台具有如同ENIAC功率的计算机将只含有1500个真空管，重量只有3000磅，而且只需要10千瓦的运行功率。专家说，这样一台计算机的大小和重量将大约如同一台汽车那样，而且具有相匹配的功率损耗。把某些事情筹划为一个大胆的设想如今对我们是富有奇趣地永存的。这些年来，手提式计算机的功率已经比ENIAC的功率强大了几千倍。
现在看来专家们犯了一个可笑的错误，其理由是他们的预言是建立在对配置适当的真空管技术进行合理外推的错误基础上。他们完全忽略了晶体管；然而，它已经问世而且代表了一种摧毁性的技术，这种技术可以在计算机中全部替代真空管，如同电子计算器后来取代了计算尺一样。
到了1949年，在经历了40年的发展进程以后，真空技术完全成熟了，辅助的机器制造基本设施很庞大。在1938年时，真空管已经从它的最高成就上离去了10年之久。然而，人们对某些更好的东西进行了探索，那就是固体开关。这类开关的发展需要在材料的纯化和器件的概念上进行大量的基础研究。
即使晶体管作为分立的元件已经具有比真空管更大的优势，而且自50年代以来晶体管的发展一直在稳步前进，但是许多大型电子公司的指导者们相信，真空管仍然占有无可替代的竞争地位。
他们的公司最终还是被那些在晶体管技术R&D上有重大投资的公司超越了，而且后者还时刻准备探索新的器件。如同我们将看到的那样，已经出现了与当前的状况令人惊讶的相似。
摩尔定理
英特尔公司的戈登·摩尔注意到可以建造在一个集成电路上的晶体管的数目随时间呈现指数形式的增长，从而首先在门电路密度上把稳步的改进加以定量化。在已经过去的28年时间里，指数增长率已经相当于计算机存储单元的四次方的增长，它们可以在大约3.4年的每一个器件世代里被储存在一个记忆集成电路上——一个64000倍的增长！
在集成电路功能性上的指数型增长是和每隔5年几乎翻一番的集成电路市场的指数型增长密切地联系在一起的。
现在，存在着两个公认的因素可能把摩尔定理的定标带向极端。按照摩尔自己的说法，第一个因素是经济上的。建造一个能大量生产集成电路的加工装置的费用已经呈现指数型的增长，其幂因子大约是两个完全的集成电路世代的间隔时间。有时人们就把这一点称为摩尔第二定理。
在1995年，为了建造一个集成电路加工工厂，需要10亿美金，或几乎是全部集成块市场年收入的1%。到了2010年，这样一个加工厂需要300亿到500亿美金（是那个时候整个集成电路市场年收入的大约10%）——如果摩尔第二定理继续成立的话。
威胁摩尔第一定理的第二个因素是，把工业引向这个领域的动力，即互补的金属—氧化物—半导体场效应晶体管（CMOS），可以只取它必须到达路线的工艺部分。半导体工业协会已经建立了一个国家的技术路线图，这个图把现有的容量按指数增长的连续性和一直到2012年得以实施作为一个目标。这个规划需要制造出比现行CMOS的设计在容量上大256倍的、而又不增加功率损失的集成块。如果这个目的被达到了，从能量的量度上看，借助一个简单的制造范例，以硅为基底的集成电路将会实现一个在幅值上大于6次方的运行性能上的改进。与大多数人类的努力上所经历的进展相比，这个增长是非同寻常的。
到了2010年，只要在晶体管的门电路上添加或移走8个电子就可以实现单个晶体管的开启和关闭，而现在却需要几乎1000个电子。小数目的统计将变得很有意义，而在数字电路中区分0和1的能力将会严峻地遇到危机。
到了2020年，几何尺度上的延伸将意味着，只需要不到一个电子就可以开启和关闭一个晶体管。这将突破基本的物理上的极限，而不仅仅是工程上的障碍。
纳米尺度的器件
现在已经提出了一些对以硅为基底的场效应晶体管的替代物，其中包括单电子晶体管、量子元胞自动机和分子逻辑器件等。
以许多这样的替代物为基础的一个通常的框架是在纳米长度尺寸的器件上推进对逻辑器件的加工生产。在这个尺度上量子力学效应将占有主要的地位。这样的尺度与分子相关联要比与集成电路相关联更为普遍。毫不奇怪的是，人们预料化学上组合的构像比人工勾画出来的结构将在新器件的生产过程中起着日益增长的作用。
在试图生产未来的纳米电路时，一个很有决定性意义的约束条件将是费用问题。给出了摩尔第二定理以后，试图运用传统的金属板印刷和去除杂质的方法来制成具有少量纳米特征尺度的系统是极其困难的，因为尺度的作用表明了为了能做到这一点而要添置设备的费用将等同于几乎是整个世界的所有国家的总产值。
相反，在某些方面，运用化学组合程序生产纳米电路的费用上的有利方面将超过不利的方面。现在，化学组合过程可以在表面上直接生产出只有10纳米大小的纳米晶体，而在溶液生长中则可以达到几个纳米。量子气泡室的“岛屿”可以很可靠地被制作到理想的尺度，但是并没有排列成规则的阵列。我们也可能生产出相当小的量子四面体的单个的实例，它们必定是在原子尺度上的映像。
我们暂时设想，各种电子组分可以在化学上进行合成，那么，我们怎样把它们和构成一个相对有序的构像联系在一起呢？
互联的两难推论
对使用计算机的最初50年的大多数时间，人们关注的重点一直是元件数目的最大化；线路通常被看成仿佛它们是可以自由处置的。如今的集成块的密度是这样的，以至线路要占有大约70%的“不动产”——因此，它们导致了大约70%的缺陷，从而降低了集成块的产量。在纳米电子学的世界里，这个趋势将被激化到这样的地步，常常使得人们能很容易对某一个线路进行再加工。故障往往不是出在门电路上，而是出在线路中。这个问题表明，产业最好要与计算的范例相符合，这样的范例依赖于规则的结构而不是整体的线路。已经存在了许多这样的计算实例：连接机组、收缩列阵、基于元胞自动机的计算机和对类似基因算法、格气动力学和神经网络等问题实现最优化的各种特殊用途的超级计算机。
一个争论的问题是如何制造出这样的自动编码器，它们能够把许多应用问题转化成这些机器的规则计算单元，而且可以得到普遍的市场认可。另一个障碍是当器件接近分子尺度时，大量的热流就会产生出来。所以，我们必须开发出以量子状态或整个电子进行计算并具有很低功率密度的高密度规则结构。
当我们试图运用这样的组合去进行计算时其他的问题又产生了，因为化学合成总是有一个统计的成品率，不是所有的分立器件都是可以运行的。因此，系统将不可避免地在器件的连接性方面存在着某些不确定性。
在这些条件下，怎样才能与来自外部世界的系统以一种可靠和可预见的方式进行信息交流呢？又怎样才能确认系统正在进行无错的运算呢？进而，因为纳米尺度技术的一个目的是用极大数目——例如，一个摩尔的器件去装配一个系统，以至有可能实现平行计算，我们怎样才能采用一种组织的方式从而使整个系统有效地运行？一些激动人心的可能性目前正在积极的探索之中。
量子逻辑
至今我们仅仅讲到了用量子开关代替半导体开关并利用布尔逻辑实施了经典算法的计算机。在运算上更超乎寻常的增长可能会随着发展可逆的计算机而接踵而来，这样的计算机实施的是被人们所熟悉的量子逻辑；原则上，非常聪明的算法可能会揭示出量子状态叠加原理的内在二重性。
如果我们能解决使人困惑的脱散、程序设计以及输入/输出（被认为是少数最困难）的问题，量子逻辑就可以使解决某类计算上“老大难”的问题，例如因子化和探测问题——它们在密码术和傅里叶分析方面是重要的——成为可能。如同费曼指出的那样，量子逻辑计算机对模拟量子力学系统将是很理想的。对某些应用而言，可逆性和量子逻辑内在具有的平行特征表示了一种飞跃，这个飞跃远远超过了理想的不可逆计算机可能提供的所有一切，或许是又一个幅值的9次方或更高次。
量子逻辑是一个令人迷惑的前景，但是在2025年以前，要使它在任何广泛的实际情景中变成现实似乎是不可能的，许多科学家对此并不抱乐观的态度。在任何情况下，排除那些当前想象不到的突破，以那种方式建造出一个完整的系统甚至是更不可能的。
但是，我们不应该对此感到失望，因为我们已经看到，即使量子逻辑不能成为现实，可能对计算而言还存在许多巨大的优势。未来的一个物理学家的工作站将可能在运行装有大量随机存取存储器的Windows 17，但是具有可重新配置的、特殊应用的、以量子开关为基础的辅助的超级计算机。
历史将会重复它自己吗？
温斯顿·邱吉尔指出，往后看得越远的人，就有可能往前看得越远。伴随着在21世纪对计算的一种新的摧毁性的技术的引入，历史重复自己是完全可能的。
今天，有了硅场效应晶体管，但是，我们猜想量子态开关可能是更好的。许多实验室现在正在努力从事关于把材料制造成任意形状和任意大小尺度的基础研究。他们正在探索将导致一种摧毁性新技术的器件的概念。
重大突破将要求在理解基本问题方面有关键性的进展和将毫不迟疑地作为对新的数学和科学学科的基础而产生积极的作用。这样的公司把突破转变为一种新的可以制造的技术，它们将是量子信息处理时代的幸存者。
[Physics Today，2000年1月号]