來(lái)源：人民日報海外版

                               郭光燦近影

                    

    近日，在我國宣布超級計算機“天河一號”服務(wù)用戶(hù)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計算機俱樂(lè )部的計劃對外曝光，該國科學(xué)院開(kāi)始制造浮點(diǎn)運算速度每秒１萬(wàn)萬(wàn)億次的本國性能最強的超級計算機。作為超級計算機大國，美國和日本早已在該領(lǐng)域發(fā)力，并努力奪取超級計算機頭把交椅。

    然而，這只是在傳統計算機的競爭。各國和地區在加緊傳統計算機領(lǐng)域競爭，你追我趕的同時(shí)，都早已把目光轉向在量子力學(xué)與現代信息科學(xué)“雙劍合璧”的全新領(lǐng)域，制造運算速度之快和性能強到不可思議的量子計算機，并以此開(kāi)啟本國的“量子時(shí)代”。

    劃時(shí)代的科學(xué)革命

    “量子計算機的運算能力到底有多強大？”這是人們常想到的一個(gè)問(wèn)題。

    對此，中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室主任郭光燦在接受本報記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)這樣回答：“電子計算機出現的時(shí)候，人類(lèi)之前賴(lài)以使用的運算工具算盤(pán)就顯得奇慢無(wú)比。與此類(lèi)似，在量子計算機面前，電子計算機就是一把不折不扣的算盤(pán)。” 

    當然，以上只是一個(gè)形象的類(lèi)比，如何具體量化描述量子計算機運算能力呢？郭光燦說(shuō)，1994年，人們采用1600臺工作站實(shí)施經(jīng)典的運算花了8個(gè)月將數長(cháng)為129位的大數成功地分解成兩個(gè)素數相乘。若采用一臺量子計算機則1秒鐘就可以破解。隨著(zhù)數長(cháng)度的增大，電子計算機所需花的時(shí)間將指數上升，例如數長(cháng)為1000位，分解它所需時(shí)間比宇宙年齡還長(cháng)，而量子計算機所花時(shí)間是以多項式增長(cháng)，仍然可以很快破解。 

    郭光燦認為，量子計算機將掀起一場(chǎng)劃時(shí)代的科學(xué)革命。他說(shuō)，由于其強大的計算能力，可以解決電子計算機難以或不能解決的某些問(wèn)題，為人類(lèi)提供一種性能強大的新型模式的運算工具，大大增強人類(lèi)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(lèi)一旦掌握了這種強大的運算工具，人類(lèi)文明將發(fā)展到嶄新的時(shí)代。 

    奇妙的量子態(tài)疊加 

    量子計算機為什么大大超出傳統計算機，具有超強的運算能力呢？郭光燦解釋說(shuō)，這是由量子計算機的并行計算量子計算機為什么大大超出傳統計算機，具有超強的運算能力呢？郭光燦解釋說(shuō)，這是由量子計算機的并行計算模式和傳統電子計算機的串行計算模式?jīng)Q定的。這聽(tīng)起來(lái)依然頗為抽象和費解。因為緊接著(zhù)的問(wèn)題隨之產(chǎn)生：“什么是并行計算模式，什么是串行計算模式？又是什么導致了這兩種計算模式呢？” 

    郭光燦說(shuō)，傳統電子計算機用比特（用“1”或者“0”表示）作為信息存儲單位，進(jìn)而實(shí)現各種運算。而運算過(guò)程是經(jīng)由對存儲器所存數據的操作來(lái)實(shí)施的。電子計算機無(wú)論其存儲器有多少位只能存儲一個(gè)數據，因此，對其實(shí)施一次操作只能變換一個(gè)數據，為運算某個(gè)函數，必須連續實(shí)施許多次操作，這就是串行計算模式。而量子計算機的信息單元是量子比特，即兩個(gè)狀態(tài)是“0”和“1”的相應量子態(tài)疊加。量子態(tài)疊加原理指出，量子存儲器有“0”或“1”兩種可能的狀態(tài)，該存儲器一般會(huì )處在“0”和“1”兩個(gè)態(tài)的疊加態(tài)，因此一位量子存儲器可同時(shí)存儲“0”和“1”兩個(gè)數據，而傳統計算機處理器只能存儲其中一個(gè)數據。如果有兩位存儲器的話(huà)，量子存儲器可同時(shí)存儲“00”、“01”、“10”、“11”4個(gè)數據，而傳統存儲器依然只能存儲其中一個(gè)數據。不難想象，n位量子存儲器可同時(shí)存儲2n個(gè)數據，而傳統計算機存儲器依然只能存儲其中一個(gè)數據。由此可知，量子存儲器存儲數據的能力是傳統存儲器的2n倍。隨著(zhù)存儲器的位數n指數增長(cháng)，當n=250時(shí)，該臺小型量子計算機可以存儲的數據比現在所知的宇宙中原子的數目還要多。正是基于量子態(tài)疊加原理，量子計算機具有巨大存儲數據能力，因此，對其操作一次，可以同時(shí)將其存儲的2n個(gè)數據變換成新的2n個(gè)數據，這就是效率大幅提高的并行運算模式。 

    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。 

    決戰量子芯片 

    關(guān)于量子計算機的研制工作，郭光燦介紹說(shuō)，鑒于量子計算機的強大功能和特殊重大的戰略意義，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)了研制出量子計算機不存在無(wú)法逾越的困難。作為量子計算機的核心部件，量子芯片的開(kāi)發(fā)與研制成為美國、日本等科技強國角逐的重中之重。 

    美國量子芯片研究計劃被命名為“微型曼哈頓計劃”，可見(jiàn)美國已經(jīng)把該計劃提高到幾乎與二戰時(shí)期研制原子彈的“曼哈頓計劃”相當的高度。郭光燦介紹說(shuō)，鑒于量子芯片在下一代產(chǎn)業(yè)和國家安全等方面的重要性，美國防部先進(jìn)研究項目局負責人泰特在向美國眾議院軍事委員會(huì )做報告時(shí)，把半導體量子芯片科技列為未來(lái)9大戰略研究計劃的第二位，并投巨資啟動(dòng)微型曼哈頓計劃，集中了包括因特爾、IBM等半導體界巨頭以及哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、桑迪亞國家實(shí)驗室等著(zhù)名研究機構，組織各部門(mén)跨學(xué)科統籌攻關(guān)。在此刺激下，日本也緊跟其后啟動(dòng)類(lèi)似計劃，引發(fā)了新一輪關(guān)于量子計算技術(shù)的國際競爭。 

    關(guān)于我國量子計算研究，郭光燦介紹說(shuō)，我國“中長(cháng)期科技發(fā)展綱要”將“量子調控”列入重大基礎研究計劃。近年來(lái)，固態(tài)量子芯片研究被列為國家重大科學(xué)研究計劃重大科學(xué)目標導向項目（又稱(chēng)“超級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)在我國的發(fā)展。但是另一方面，也必須清醒地認識到我國在該領(lǐng)域存在的不足甚至面臨的危機，正如郭光燦在《量子計算機的發(fā)展現狀與趨勢》一文中指出的那樣，鑒于基礎較弱，研究積累較薄，我國在量子計算國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國，在量子計算機方面，差距正日益增大。他在文中建議我國啟動(dòng)一個(gè)類(lèi)似美國“微型”曼哈頓計劃的戰略攻關(guān)項目，組織國內精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關(guān)基礎建設，尋求技術(shù)突破，在下一代量子芯片的國際競爭中搶占戰略制高點(diǎn)。 

    傳統計算機的軟肋 

    自1946年第一臺電子計算機誕生至今，共經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路和大規模集成電路4個(gè)時(shí)代。計算機科學(xué)日新月異，但其性能卻始終滿(mǎn)足不了人類(lèi)日益增長(cháng)的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個(gè)極限”。 

    其一，隨著(zhù)傳統硅芯片集成度的提高，芯片內部晶體管數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越?。ㄈ绗F在的英特爾雙核處理器采用最新45納米制造工藝，在143平方毫米內集成2.91億晶體管）。根據摩爾定律估算，20年后制造工藝將達到幾個(gè)原子級大小，甚至更小，從而導致芯片內部微觀(guān)粒子性越來(lái)越弱，相反其波動(dòng)性逐漸顯著(zhù)，傳統宏觀(guān)物理學(xué)定律因此不再適用，而遵循的是微觀(guān)世界煥然一新的量子力學(xué)定理。也就是說(shuō)，20年后傳統計算機將達到它的“物理極限”。 

    其二，集成度的提高所帶來(lái)耗能與散熱的問(wèn)題反過(guò)來(lái)制約著(zhù)芯片集成度的規模，傳統硅芯片集成度的停滯不前將導致計算機發(fā)展的“性能極限”。研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計算過(guò)程中的不可逆過(guò)程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過(guò)程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的數據信號必然會(huì )產(chǎn)生熱量。倘若輸出時(shí)處理器能保留一串無(wú)用序列，即把不可逆轉換為可逆過(guò)程，則能從根本上解決芯片耗能問(wèn)題。利用量子力學(xué)里的相關(guān)理論，能把不可逆轉為可逆過(guò)程，由此引發(fā)了對量子計算的研究。 

    高速運算的另一個(gè)秘密 

    量子計算之所以能快速高效地并行運算，除了因為量子態(tài)疊加性之外，還因為量子相干性。量子相干性是指量子之間的特殊聯(lián)系，利用它可從一個(gè)或多個(gè)量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀(guān)測到其中一電子是向左自轉的，那么根據動(dòng)量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性?？梢园蚜孔酉喔尚詰糜诖鎯Ξ斨?。若某串量子比特是彼此相干的，則可把此串量子比特視為協(xié)同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會(huì )影響到其它比特的運行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。量子計算之所以能快速高效地運算就緣于此。然而令人遺憾的是，量子相干性很難保持，在外部環(huán)境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術(shù)可避免出錯，但也只是發(fā)現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時(shí)代還有一段艱難曲折的路。 

    神秘的“量子” 

    什么是“量子”？它和“原子”、“電子”、“中子”這些客觀(guān)存在的粒子一樣也是一種物質(zhì)實(shí)體嗎？答案是否定的。“量子”不是一種粒子，而是一種觀(guān)念或一種概念。“量子”一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantum，意為“多少”，代表“相當數量的某事”。在物理學(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀(guān)世界的一種傾向：物質(zhì)或者說(shuō)粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續地變化。量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運動(dòng)時(shí)只能處在一些特定的運動(dòng)模式上，在這些模式上，電子的角動(dòng)量分別具有特定的數值，介于這些模式之間的運動(dòng)方式是極不穩定的。即使電子暫時(shí)以其他的方式繞核運動(dòng)，很快就必須回到特定運動(dòng)模式上來(lái)。實(shí)際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續地、離散地變化。這樣的觀(guān)點(diǎn)和經(jīng)典物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)是截然不同的，在經(jīng)典物理學(xué)里所有的物理量都是連續變化的。上世紀初，物理學(xué)家普朗克最早猜測到微觀(guān)粒子的能量可能是不連續的。但要堅持這個(gè)觀(guān)點(diǎn)，就意味著(zhù)背叛經(jīng)典物理學(xué)。保守的普朗克最終放棄了這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。然而，大量的實(shí)驗事實(shí)迫使物理學(xué)界迅速地接受這樣的觀(guān)點(diǎn)，將其發(fā)展起來(lái)，并結合其他一些公設如“量子態(tài)疊加原理”，建立了如今的量子物理科學(xué)。 

    沖擊傳統密碼學(xué) 

    密碼通信源遠流長(cháng)。早在2500年前，密碼就已廣泛應用于戰爭與外交之中。隨著(zhù)歷史的發(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應運而生。防與攻是一個(gè)永恒的話(huà)題，當科學(xué)家們如火如荼地研究各種加密之策時(shí)，破譯之道也得以迅速發(fā)展。傳統理論認為，大數的因式分解是數學(xué)界的一道難題，至今也無(wú)有效的解決方案和算法。這一點(diǎn)在密碼學(xué)有重要應用，現在廣泛應用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基于因式難分解而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。然而，在理論上，包括RSA 在內的任何加密算法都不是天衣無(wú)縫的，利用窮舉法可一一破解，只需衡量破解與所耗費的人力物力和時(shí)間相比是否合理。但是，精通高速并行運算的量子計算一旦問(wèn)世，縈繞人類(lèi)很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學(xué)將受到前所未有的巨大沖擊。但正所謂有矛必有盾，一套更為安全成熟的量子加密體系正應運而生。