近日，在我國(guó)宣布超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”服務(wù)用戶超過(guò)300家、成為部分領(lǐng)域核心生產(chǎn)力之際，俄羅斯加入世界超級(jí)計(jì)算機(jī)俱樂(lè)部的計(jì)劃對(duì)外曝光，該國(guó)科學(xué)院開始制造浮點(diǎn)運(yùn)算速度每秒1萬(wàn)萬(wàn)億次的本國(guó)性能最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。作為超級(jí)計(jì)算機(jī)大國(guó)，美國(guó)和日本早已在該領(lǐng)域發(fā)力，并努力奪取超級(jí)計(jì)算機(jī)頭把交椅。
然而，這只是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。各國(guó)和地區(qū)在加緊傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，你追我趕的同時(shí)，都早已把目光轉(zhuǎn)向在量子力學(xué)與現(xiàn)代信息科學(xué)“雙劍合璧”的全新領(lǐng)域，制造運(yùn)算速度之快和性能強(qiáng)到不可思議的量子計(jì)算機(jī)，并以此開啟本國(guó)的“量子時(shí)代”。
劃時(shí)代的科學(xué)革命
“量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力到底有多強(qiáng)大？”這是人們常想到的一個(gè)問(wèn)題。
對(duì)此，中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦在接受本報(bào)記者專訪時(shí)這樣回答：“電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的時(shí)候，人類之前賴以使用的運(yùn)算工具算盤就顯得奇慢無(wú)比。與此類似，在量子計(jì)算機(jī)面前，電子計(jì)算機(jī)就是一把不折不扣的算盤。”
當(dāng)然，以上只是一個(gè)形象的類比，如何具體量化描述量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力呢？郭光燦說(shuō)，1994年，人們采用1600臺(tái)工作站實(shí)施經(jīng)典的運(yùn)算花了8個(gè)月將數(shù)長(zhǎng)為129位的大數(shù)成功地分解成兩個(gè)素?cái)?shù)相乘。若采用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)則1秒鐘就可以破解。隨著數(shù)長(zhǎng)度的增大，電子計(jì)算機(jī)所需花的時(shí)間將指數(shù)上升，例如數(shù)長(zhǎng)為1000位，分解它所需時(shí)間比宇宙年齡還長(zhǎng)，而量子計(jì)算機(jī)所花時(shí)間是以多項(xiàng)式增長(zhǎng)，仍然可以很快破解。
郭光燦認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)將掀起一場(chǎng)劃時(shí)代的科學(xué)革命。他說(shuō)，由于其強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以解決電子計(jì)算機(jī)難以或不能解決的某些問(wèn)題，為人類提供一種性能強(qiáng)大的新型模式的運(yùn)算工具，大大增強(qiáng)人類分析解決問(wèn)題的能力，將全方位大幅推進(jìn)各領(lǐng)域研究。人類一旦掌握了這種強(qiáng)大的運(yùn)算工具，人類文明將發(fā)展到嶄新的時(shí)代。
奇妙的量子態(tài)疊加
量子計(jì)算機(jī)為什么大大超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，具有超強(qiáng)的運(yùn)算能力呢？郭光燦解釋說(shuō)，這是由量子計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算模式和傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的串行計(jì)算模式?jīng)Q定的。這聽起來(lái)依然頗為抽象和費(fèi)解。因?yàn)榫o接著的問(wèn)題隨之產(chǎn)生：“什么是并行計(jì)算模式，什么是串行計(jì)算模式？又是什么導(dǎo)致了這兩種計(jì)算模式呢？”
郭光燦說(shuō)，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)用比特(用“1”或者“0”表示)作為信息存儲(chǔ)單位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算。而運(yùn)算過(guò)程是經(jīng)由對(duì)存儲(chǔ)器所存數(shù)據(jù)的操作來(lái)實(shí)施的。電子計(jì)算機(jī)無(wú)論其存儲(chǔ)器有多少位只能存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)其實(shí)施一次操作只能變換一個(gè)數(shù)據(jù)，為運(yùn)算某個(gè)函數(shù)，必須連續(xù)實(shí)施許多次操作，這就是串行計(jì)算模式。而量子計(jì)算機(jī)的信息單元是量子比特，即兩個(gè)狀態(tài)是“0”和“1”的相應(yīng)量子態(tài)疊加。量子態(tài)疊加原理指出，量子存儲(chǔ)器有“0”或“1”兩種可能的狀態(tài)，該存儲(chǔ)器一般會(huì)處在“0”和“1”兩個(gè)態(tài)的疊加態(tài)，因此一位量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)“0”和“1”兩個(gè)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理器只能存儲(chǔ)其中一個(gè)數(shù)據(jù)。如果有兩位存儲(chǔ)器的話，量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)“00”、“01”、“10”、“11”4個(gè)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)存儲(chǔ)器依然只能存儲(chǔ)其中一個(gè)數(shù)據(jù)。不難想象，n位量子存儲(chǔ)器可同時(shí)存儲(chǔ)2n個(gè)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器依然只能存儲(chǔ)其中一個(gè)數(shù)據(jù)。由此可知，量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力是傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的2n倍。隨著存儲(chǔ)器的位數(shù)n 指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)n=250時(shí)，該臺(tái)小型量子計(jì)算機(jī)可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比現(xiàn)在所知的宇宙中原子的數(shù)目還要多。正是基于量子態(tài)疊加原理，量子計(jì)算機(jī)具有巨大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力，因此，對(duì)其操作一次，可以同時(shí)將其存儲(chǔ)的2n個(gè)數(shù)據(jù)變換成新的2n個(gè)數(shù)據(jù)，這就是效率大幅提高的并行運(yùn)算模式。
造成這一切的無(wú)疑是量子世界的奇妙的“態(tài)疊加原理”。郭光燦指出，在經(jīng)典世界里，要么是1、要么是0，要么是yes、要么是no，要么在樓上、要么在樓下，不可能出現(xiàn)兩者的疊加狀態(tài)，而這在量子世界里就是不確定的、狀態(tài)是疊加的。
決戰(zhàn)量子芯片
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的研制工作，郭光燦介紹說(shuō)，鑒于量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和特殊重大的戰(zhàn)略意義，近20年來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家紛紛投入研制工作，雖然面臨重重技術(shù)障礙，但取得一些重要進(jìn)展，證實(shí)了研制出量子計(jì)算機(jī)不存在無(wú)法逾越的困難。作為量子計(jì)算機(jī)的核心部件，量子芯片的開發(fā)與研制成為美國(guó)、日本等科技強(qiáng)國(guó)角逐的重中之重。
美國(guó)量子芯片研究計(jì)劃被命名為“微型曼哈頓計(jì)劃”，可見(jiàn)美國(guó)已經(jīng)把該計(jì)劃提高到幾乎與二戰(zhàn)時(shí)期研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”相當(dāng)?shù)母叨取９鉅N介紹說(shuō)，鑒于量子芯片在下一代產(chǎn)業(yè)和國(guó)家安全等方面的重要性，美國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局負(fù)責(zé)人泰特在向美國(guó)眾議院軍事委員會(huì)做報(bào)告時(shí)，把半導(dǎo)體量子芯片科技列為未來(lái)9大戰(zhàn)略研究計(jì)劃的第二位，并投巨資啟動(dòng)微型曼哈頓計(jì)劃，集中了包括因特爾、IBM等半導(dǎo)體界巨頭以及哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等著名研究機(jī)構(gòu)，組織各部門跨學(xué)科統(tǒng)籌攻關(guān)。在此刺激下，日本也緊跟其后啟動(dòng)類似計(jì)劃，引發(fā)了新一輪關(guān)于量子計(jì)算技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。
關(guān)于我國(guó)量子計(jì)算研究，郭光燦介紹說(shuō)，我國(guó)“中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要”將“量子調(diào)控”列入重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃。近年來(lái)，固態(tài)量子芯片研究被列為國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃重大科學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向項(xiàng)目(又稱“超級(jí)973”)給予重點(diǎn)支持。這些舉措有力推動(dòng)了量子信息技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。但是另一方面，也必須清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)在該領(lǐng)域存在的不足甚至面臨的危機(jī)，正如郭光燦在《量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)》一文中指出的那樣，鑒于基礎(chǔ)較弱，研究積累較薄，我國(guó)在量子計(jì)算國(guó)際主流方向上做出原創(chuàng)性的成果還很少，總體水平明顯落后于美日強(qiáng)國(guó)，在量子計(jì)算機(jī)方面，差距正日益增大。他在文中建議我國(guó)啟動(dòng)一個(gè)類似美國(guó) “微型”曼哈頓計(jì)劃的戰(zhàn)略攻關(guān)項(xiàng)目，組織國(guó)內(nèi)精銳研究隊(duì)伍，提供足夠強(qiáng)大的支撐，加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)，尋求技術(shù)突破，在下一代量子芯片的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟肋
自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今，共經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路4個(gè)時(shí)代。計(jì)算機(jī)科學(xué)日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長(zhǎng)的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個(gè)極限”。
其一，隨著傳統(tǒng)硅芯片集成度的提高，芯片內(nèi)部晶體管數(shù)與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現(xiàn)在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內(nèi)集成2.91億晶體管)。根據(jù)摩爾定律估算，20年后制造工藝將達(dá)到幾個(gè)原子級(jí)大小，甚至更小，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部微觀粒子性越來(lái)越弱，相反其波動(dòng)性逐漸顯著，傳統(tǒng)宏觀物理學(xué)定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學(xué)定理。也就是說(shuō)，20年后傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將達(dá)到它的“物理極限”。
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本文標(biāo)題：量子計(jì)算機(jī)：決勝21世紀(jì)的利器
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