Chuang（庄）手持一支铅笔粗细的试管，里面装着十亿亿个分子的鲜橙色溶液，每个分子的核心是由五个氟原子和两个碳原子组合而成。他将试管放入一台改装过的核磁共振（NMR）仪的腔室中，这台仪器看起来像一个巨大的压力锅。“就像手机里面的零件一样，只是大得多，”Chuang说，样品在仪器内部被环绕着连接到放大器和信号发生器的射频线圈。
Chuang在键盘上输入“GA”（Go ahead，开始）。随着一声类似钟声的响声，无线电波扫过试管，碳原子和氟原子的原子核开始旋转。并且，当它们绕轴进动时，执行计算。这个计算——分解数字15的素因数——不到一秒钟就完成了，Chuang重复了35次实验，取平均值以控制误差。
分解15是一个适合小学生和廉价计算器的题目
但在这里，重要的不是计算的大小或速度，而仅仅是它能被计算的事实。Chuang的
七“量子比特”量子计算机，是当时最强大的量子计算机，为几年前科学家们认为不可行的命题提供了确凿的证据：原子在量子层面的性质可以被可靠地用于构建工作的计算机核心。事实上，Chuang和其他人的工作表明，量子计算机有一天可能能够实现大规模并行计算，即数十亿个计算同时发生——这是硅芯片永远无法实现的壮举。
“我们想超越常规，”Chuang说，他现在是麻省理工学院“位与原子中心”的副教授，尽管他是在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心进行的开创性量子计算机实验。“我们想将计算缩小到一个前所未有的规模。”
Chuang并非独自工作。全球数十个研究团队正投入数亿美元来证明在极小尺度下进行计算具有独特的潜力。他们正在试验碳纳米管、DNA链和旋转的原子核。他们寻求的是计算设备，这些设备能够跨越“经典”芯片基计算机固有的问题，这些问题不仅与尺寸有关，还与芯片串行操作的性质有关，即一个任务紧随另一个任务。无论硅芯片完成每个任务的速度有多快，其操作的顺序性限制了其能力。（正如物理学家理查德·费曼曾说过：“计算机内部很愚蠢，但它跑得飞快！”对于某些问题，飞快地运转还不够。）
纳米级计算会有哪些用途？我们可能在不久的将来不需要为我们的PDA或手机进行大规模并行处理，但经典计算的限制已经在数据加密领域显现出来。加密不仅是国家安全的先决条件，也是互联网商业和数据交换的关键基础。未来计算机大规模并行计算的能力可能有助于破解或保护看似牢不可破的密码。
在生物化学研究中，非芯片基计算机可能能够同时处理海量数据，寻找可能带来新药物的关键基因模式。纳米计算机也可能在管理海量数据库、解决长期天气预报等复杂问题，以及——因为它们理论上可以集成到纳米机器中——在细胞层面监测甚至修复我们的身体方面展现出潜力。当然，这一切仍然高度推测性，因为纳米计算研究还处于“压力锅”阶段。
尺寸障碍
计算机已经缩小到如此程度，并且变得如此快，以至于人们可能会想，为什么它们不能继续缩小呢？第一台通用计算机ENIAC（电子数字积分器和计算机）占据了宾夕法尼亚大学的一整间房间（参见“更多蛮力而非大脑”）。它重达30吨，使用了17,000多个真空管。当科学家们启动它时，费城的某些地区曾一度断电。ENIAC是一台4位计算机，运行速度为如今已微不足道的每秒20,000个周期——大约相当于一个电子贺卡打开时会播放一首滑稽歌曲的计算能力。
ENIAC及其后代基本上是一系列二元开/关开关，用于精确修改信息。比特，信息的最基本单位，在电路中通过电压来表示：高电压表示比特值为1；低电压表示比特值为0。这些比特通过由开关构成的简单逻辑门流动，这些逻辑门共同执行计算机被指示完成的任务。ENIAC的真空管开关在1947年随着晶体管的出现而过时，晶体管是固态器件，至今仍是集成电路和微处理器的基本组成部分。每一代新的晶体管都在缩小，使工程师能够将更多的晶体管集成到相同的空间内，但其基本功能没有改变。
随着电路的缩小，电子可以在芯片上进行更多次的往返，分发更多的二进制代码并处理更多的任务。如今的奔腾IV处理器大小如一枚硬币，其5500万个晶体管以2吉赫（每秒20亿次）的速度发送电子。在10年内，平均硅芯片可能包含10亿个或更多的晶体管，运行速度超过每秒250亿个周期。已经有高性能的异构芯片，例如IBM最近发布的由硅锗制成的芯片，其速度已超过100吉赫。
但这些电路的缩小存在极限。芯片是通过使用紫外线将电路图案蚀刻到光敏表面上制作的。通过使用波长越来越短的光，芯片制造商已经能够制造出越来越小的电路。然而，最终，切割电路所需的波长将变得如此之小，以至于透镜和空气分子会在光线能够刻蚀图案之前将其吸收。届时，大约在10到15年后，硅电路将停止缩小。此外，利用波长越来越短的光来改造芯片制造工艺的成本日益高昂。最终，科学将需要转向其他类型的计算机系统。“我们被计算包围着，”麻省理工学院“位与原子中心”主任Neil Gershenfeld说。他说，突破可能会发生，“如果你问大自然如何解决问题。一台计算机可以是一管氯仿。”
“硅之后还有什么？”IBM研究公司科学主管Tom Theis问道。“几十年来，我们一直在不懈地寻找答案。”
硅的替代品
一种策略是避免硅的尺寸限制，同时不放弃传统计算电路的便利性。分子电子学，或称moletronics，涉及用碳和其他元素构建电路，它模仿传统的计算架构，同时可能极大地提高其速度。理论上，在十年内可能就可以设计出利用硅和分子电路的机器。
去年8月，IBM沃森实验室的研究人员在纽约约克敦高地制造了第一个由单个分子组成的逻辑门。利用碳纳米管，这种原子排列方式类似鸡网卷，科学家们创造了一个宽度仅为10个原子宽的电路，这是硅电路的1/500。然后，在10月，贝尔实验室的科学家Hendrik Schon、Zhenan Bao和Hong Meng设计了一种比纳米管更小的分子晶体管——其尺寸是一粒沙子的百万分之一。Schon及其同事将一种硫醇分子——碳、氢和硫的混合物——夹在两个金电极之间，然后用硫醇控制电流通过。这个纳米电路重要的是不仅仅在于其尺寸。在一项让其创造者都感到困惑的发现中，该分子还充当了一个强大的信号放大器——这是晶体管中放大电子信号（或增益）的重要组成部分。“我们对能够在低电压下实现如此高的增益感到惊讶，”Schon说。“这是一个非常令人愉快的惊喜。”
惠普量子科学研究总监Stan Williams说，如果分子可以同时充当晶体管和放大器，那么逻辑门——以及由此推断出的整个芯片——就可以变得不仅更小，而且更便宜。“结果非常惊人，也非常令人费解。如果事实证明如此，它就有可能超越最好的硅。”
Williams和惠普研究员Phil Kuekes正处于将分子电子学与硅技术结合的门槛上。去年7月，他们获得了一项专利，该专利提供了一种允许分子大小的电路与传统半导体通信的方法；到2005年，他们和洛杉矶加州大学的一个研究团队预计将生产出16千比特的内存电路。Williams说，在10到15年后，纯分子电子电路将开始取代诸如手持电脑等设备中的传统芯片。也许最大的影响将是生物医学植入物——微型计算机可以植入人体，例如，用于测量胰岛素水平或预警心脏病发作。目前正在进行大量关于细胞力学和DNA层面细胞信息交换的研究，在某个时候，微型机器将知道如何用细胞语言与细胞交流。
然而，这一切最终将走向何方，仍是猜测：“我们离仅仅通过将某物插入体内来增强人类的身体或精神能力还有很长的路要走，”Williams说。
双螺旋作为计算机
除了硅和分子电子学，还有更奇怪、更难理解的计算重新定义。一种方法利用DNA。这有其逻辑：DNA是大自然为生命过程提供的极其高效的数据存储和传输机制，熟悉的四碱基双螺旋结构在分子层面编码了海量信息。DNA以一贯可预测的方式组合，一茶匙中可以容纳10万亿股。通过将每股DNA变成一种“处理器”，科学家们设想建造一个同时执行数万亿次计算的纳米计算机。
1994年，南加州大学教授Leonard Adleman通过使用DNA解决哈密顿路径问题，也就是旅行商问题，为这一领域奠定了基础。这个问题试图找到一组城市之间的最短路线，并且不重复访问任何城市。当只有少数几个城市时，你可以用纸和笔解决这个问题。随着城市数量的增加，传统计算机必须按顺序尝试的潜在路线数量呈指数级增长。要快速得到答案，你必须将问题分配给许多计算机并行工作。或者，就像Adleman所做的那样，你可以通过让几茶匙DNA同时生成所有可能的解决方案来解决这个谜题。
Adleman展示了进行大规模并行化学反应的方法——每种可能的答案都以DNA代码链的形式给出——然后他花了一周时间从正确的答案中筛选出错误的DNA链。DNA计算听起来可能很奇怪，但它是生物化学研究的逻辑产物，这些研究使得科学家们能够解码、操纵和合成动植物的遗传物质。
今年3月，Adleman和他南加州大学的同事报告说，他们将DNA计算向前推进了一大步，解决了他们所说的可能是非电子设备所解决过的最大问题。在这个实验中，Adleman试图为一群有苛刻要求的聚会者制定一个可行的宾客名单，每个人都有具体的规定：除非某个朋友被排除在外，但我的好朋友却被邀请，否则我不会来。为了满足20位如此挑剔的与会者的要求，必须考虑超过一百万种可能的宾客组合。经过四天的化学反应和代码筛选，在此期间代表单个聚会者的核酸相互吸引和排斥，Adleman的DNA计算机生成了主聚会名单。这不是南加州大学的研究人员第一次尝试用DNA计算机来解开聚会谜题，但之前的尝试最多只涉及九位客人。考虑到20个人的偏好，这需要数万亿DNA分子片段进行计算，是一个更艰巨的实验。
其他研究人员建议，基于可靠、稳健的DNA结构（而不是溶液中漂浮的DNA链）的DNA计算可能更强大。其中一项更成功的努力是在杜克大学，计算机科学家John Reif和Thom LaBean正在研究所谓的DNA瓦片——核酸链编织成相互连接的结构，它们通过与其他瓦片的相互作用形成简单的逻辑电路。LaBean和Reif正在以最简单的二进制级别测试他们的概念：组合的瓦片是否可靠地表现得像基本的逻辑门？他们的初步测试表明，基于瓦片的DNA计算机实际上是有效的。连接足够多的这种逻辑门，其结果可能是一个大小如泪滴般的超级计算机。
在设计出小型全功能DNA计算机之前，还有巨大的障碍需要克服。Reif说，一个主要的问题是，DNA结构越复杂，就越有可能出错，从而导致计算错误。在自然界，这些错误是突变，而通过持续的DNA修复进行纠错已经融入了生物细胞；然而，在DNA计算中不存在这种自动纠错。此外，包含“答案”的DNA部分必须被提取和分析。因此，研究人员仍然需要开发一种有效的方法来读取结果。否则，DNA计算的速度将被实际确定结果所需的时间抵消。
“理论上，”Reif说，“你可能可以使用DNA计算机来做普通计算机能做的任何事情。但在实践中，你可能不会用它来运行微软Windows。你会用它来处理那些你在分子尺度上无法实现的、其他方式无法构建的事情。”
DNA计算机的建议包括创建生物传感器，这些传感器可以识别环境中的病原体或检测体内细胞级别的生化事件。另一个逻辑用途是：部署DNA计算机来协助基因研究这个巨大扩展领域中进行的庞大数据搜索。
量子飞跃
量子计算将分子电路的纳米世界与DNA的并行处理速度结合起来——然后加入了它自身的怪异之处。
在量子计算机中，原子核充当所谓的量子比特——二进制代码的1和0。当原子核的自旋指向“向上”时，它是一个0；当它指向“向下”时，它是一个1。但在量子计算中，还有第三种可能性：一个原子核可以处于一种特殊的量子态，使其能够同时占据这两个位置。这种现象称为叠加，它构成了量子计算机巨大潜力的基础。因为如果原子核可以同时表示0、1或两者，一个量子比特就可以完成两个普通比特的工作；2个量子比特可以完成4个的工作；4个量子比特可以完成16个的工作，以此类推。继续沿着指数级比例上升，很快一台相对较小的量子计算机（例如，40个量子比特）就能达到超级计算机的容量。事实上，传统计算机很难精确模拟少量原子的量子行为，因为原子核非常难以捉摸；而量子计算机可能在研究量子行为方面做得更好。
问题在于：根据量子力学的奇特规则，一旦你观察了原子核的状态，它就不再处于叠加态，而是冻结成0或1。Chuang在IBM工作的那种“压力锅”般的机器旨在使原子核保持叠加态足够长的时间以执行计算。“诀窍是创造一个分子，它能在量子状态下停留非常长的时间——在这种情况下是1.5秒，”他说。“对于量子事物来说，这是永恒的。在生活中，你通常无法看到一个东西同时出现在两个地方。”
Chuang帮助设计了四台量子计算机，每台都比前一台更复杂。去年秋天，他的7量子比特机器首次实现了一个重要的素数分解算法。分解对于加密至关重要；加州大学戴维斯分校计算机科学副教授Fred Chong估计，如今最快的计算机需要数十亿年才能分解一个300位数的加密密钥，因为它要费力地尝试一种又一种可能性；而量子计算机可以在大约30小时内破解该代码。
但这需要一台拥有数十万个量子比特的量子计算机——即使是最乐观的研究人员也表示，这类系统至少还需要15年才能实现。事实上，Chuang认为以他目前的方案很难超越10到20个量子比特，因为测量自旋方向的磁信号——决定量子比特是1、0还是两者兼有——随着量子比特数量的增加而变得越来越微弱。因此，研究人员正在探索其他技术，例如将量子比特封装在固态“笼子”中并用激光读取。“这个领域的没有人真正理解发生了什么，”Chuang笑着承认。“量子物理学违背我们的直觉。”
许多科学家仍然认为，纳米计算机将仅限于高度专业化的应用，如密码学或数据库搜索。这种保守是有先例的：房间大小的ENIAC最初是为了计算炮弹弹道而建造的，大约在同一时间，IBM董事长托马斯·沃森发表了他著名的言论，称世界市场对计算机的需求可能只有五台。此后，IBM及其后继者又发掘了更多计算机的用途；纳米计算机很可能也会经历类似的命运。如果过去半个世纪的计算机革命有任何指示，随着机器的不断缩小，其可能性只会增长。
回顾：更多蛮力而非大脑
《大众科学》从20世纪40年代开始报道计算机，当时出现了像Mark I和II、ENIAC以及麻省理工学院重达100吨的“机电微分分析仪”等房间大小的巨型计算机。右图是哈佛计算实验室建造的Mark II的“错综复杂、像床垫弹簧一样的布线迷宫”。早期报道对如今台式计算机轻易就能超越的速度大加赞赏。1946年1月，我们对麻省理工学院的巨型计算机说道：
“几分钟，最多几个小时，这台巨大的计算机会给出复杂问题的答案，这些问题需要训练有素的人花费数周时间才能解决。
该计算器一次可以处理三个问题，每个问题最多有18个变量，它包含200英里长的电线、2,000个电子管、数千个继电器和大约150个马达。然而，尽管它显得极其复杂，一个人就能操作它。”
