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    來源：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)用戶超過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部的計劃對外曝光，該國科學(xué)院開始制造浮點運算速度每秒１萬萬億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(tǒng)計算機的競爭。各國和地區(qū)在加緊傳統(tǒng)計算機領(lǐng)域競爭，你追我趕的同時，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，制造運算速度之快和性能強到不可思議的量子計算機，并以此開啟本國的“量子時代”。

    劃時代的科學(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問題。

    對此，中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受本報記者專訪時這樣回答：“電子計算機出現(xiàn)的時候，人類之前賴以使用的運算工具算盤就顯得奇慢無比。與此類似，在量子計算機面前，電子計算機就是一把不折不扣的算盤。” 

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

    郭光燦認(rèn)為，量子計算機將掀起一場劃時代的科學(xué)革命。他說，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題，為人類提供一種性能強大的新型模式的運算工具，大大增強人類分析解決問題的能力，將全方位大幅推進各領(lǐng)域研究。人類一旦掌握了這種強大的運算工具，人類文明將發(fā)展到嶄新的時代。 

    奇妙的量子態(tài)疊加 

    量子計算機為什么大大超出傳統(tǒng)計算機，具有超強的運算能力呢？郭光燦解釋說，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(tǒng)計算機，具有超強的運算能力呢？郭光燦解釋說，這是由量子計算機的并行計算模式和傳統(tǒng)電子計算機的串行計算模式?jīng)Q定的。這聽起來依然頗為抽象和費解。因為緊接著的問題隨之產(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(dǎo)致了這兩種計算模式呢？” 

    郭光燦說，傳統(tǒng)電子計算機用比特（用“1”或者“0”表示）作為信息存儲單位，進而實現(xiàn)各種運算。而運算過程是經(jīng)由對存儲器所存數(shù)據(jù)的操作來實施的。電子計算機無論其存儲器有多少位只能存儲一個數(shù)據(jù)，因此，對其實施一次操作只能變換一個數(shù)據(jù)，為運算某個函數(shù)，必須連續(xù)實施許多次操作，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，量子存儲器有“0”或“1”兩種可能的狀態(tài)，該存儲器一般會處在“0”和“1”兩個態(tài)的疊加態(tài)，因此一位量子存儲器可同時存儲“0”和“1”兩個數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計算機處理器只能存儲其中一個數(shù)據(jù)。如果有兩位存儲器的話，量子存儲器可同時存儲“00”、“01”、“10”、“11”4個數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)存儲器依然只能存儲其中一個數(shù)據(jù)。不難想象，n位量子存儲器可同時存儲2n個數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計算機存儲器依然只能存儲其中一個數(shù)據(jù)。由此可知，量子存儲器存儲數(shù)據(jù)的能力是傳統(tǒng)存儲器的2n倍。隨著存儲器的位數(shù)n指數(shù)增長，當(dāng)n=250時，該臺小型量子計算機可以存儲的數(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，量子計算機具有巨大存儲數(shù)據(jù)能力，因此，對其操作一次，可以同時將其存儲的2n個數(shù)據(jù)變換成新的2n個數(shù)據(jù)，這就是效率大幅提高的并行運算模式。 

    造成這一切的無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)于量子計算機的研制工作，郭光燦介紹說，鑒于量子計算機的強大功能和特殊重大的戰(zhàn)略意義，近20年來，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，但取得一些重要進展，證實了研制出量子計算機不存在無法逾越的困難。作為量子計算機的核心部件，量子芯片的開發(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”，可見美國已經(jīng)把該計劃提高到幾乎與二戰(zhàn)時期研制原子彈的“曼哈頓計劃”相當(dāng)?shù)母叨取９鉅N介紹說，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，美國防部先進研究項目局負(fù)責(zé)人泰特在向美國眾議院軍事委員會做報告時，把半導(dǎo)體量子芯片科技列為未來9大戰(zhàn)略研究計劃的第二位，并投巨資啟動微型曼哈頓計劃，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)、桑迪亞國家實驗室等著名研究機構(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類似計劃，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，我國“中長期科技發(fā)展綱要”將“量子調(diào)控”列入重大基礎(chǔ)研究計劃。近年來，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(biāo)導(dǎo)向項目（又稱“超級973”）給予重點支持。這些舉措有力推動了量子信息技術(shù)在我國的發(fā)展。但是另一方面，也必須清醒地認(rèn)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(xiàn)狀與趨勢》一文中指出的那樣，鑒于基礎(chǔ)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一個類似美國“微型”曼哈頓計劃的戰(zhàn)略攻關(guān)項目，組織國內(nèi)精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)，尋求技術(shù)突破，在下一代量子芯片的國際競爭中搶占戰(zhàn)略制高點。 

    傳統(tǒng)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(guī)模集成電路和大規(guī)模集成電路4個時代。計算機科學(xué)日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的“兩個極限”。 

    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年后制造工藝將達到幾個原子級大小，甚至更小，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，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，20年后傳統(tǒng)計算機將達到它的“物理極限”。 

    其二，集成度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約著芯片集成度的規(guī)模，傳統(tǒng)硅芯片集成度的停滯不前將導(dǎo)致計算機發(fā)展的“性能極限”。研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作而最終結(jié)果卻只有一列數(shù)據(jù)的輸出，這過程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號必然會產(chǎn)生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉(zhuǎn)換為可逆過程，則能從根本上解決芯片耗能問題。利用量子力學(xué)里的相關(guān)理論，能把不可逆轉(zhuǎn)為可逆過程，由此引發(fā)了對量子計算的研究。 

    高速運算的另一個秘密 

    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，利用它可從一個或多個量子狀態(tài)推出其它量子態(tài)。譬如兩電子發(fā)生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動量和能量守恒定律，另外一電子必是向右自轉(zhuǎn)。這兩電子間所存在的這種聯(lián)系就是量子相干性。可以把量子相干性應(yīng)用于存儲當(dāng)中。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影響到其它比特的運行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動全身。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(dǎo)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(xiàn)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”這些客觀存在的粒子一樣也是一種物質(zhì)實體嗎？答案是否定的。“量子”不是一種粒子，而是一種觀念或一種概念。“量子”一詞來自拉丁語quantum，意為“多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某事”。在物理學(xué)中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種傾向：物質(zhì)或者說粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續(xù)地變化。量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運動時只能處在一些特定的運動模式上，在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運動方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。實際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。這樣的觀點和經(jīng)典物理學(xué)的觀點是截然不同的，在經(jīng)典物理學(xué)里所有的物理量都是連續(xù)變化的。上世紀(jì)初，物理學(xué)家普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。但要堅持這個觀點，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。保守的普朗克最終放棄了這個觀點。然而，大量的實驗事實迫使物理學(xué)界迅速地接受這樣的觀點，將其發(fā)展起來，并結(jié)合其他一些公設(shè)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(tǒng)密碼學(xué) 

    密碼通信源遠(yuǎn)流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭與外交之中。隨著歷史的發(fā)展，密碼和秘密通訊備受關(guān)注，密碼學(xué)也應(yīng)運而生。防與攻是一個永恒的話題，當(dāng)科學(xué)家們?nèi)缁鹑巛钡匮芯扛鞣N加密之策時，破譯之道也得以迅速發(fā)展。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大數(shù)的因式分解是數(shù)學(xué)界的一道難題，至今也無有效的解決方案和算法。這一點在密碼學(xué)有重要應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，銀行和金融系統(tǒng)的RSA加密系統(tǒng)就是基于因式難分解而開發(fā)出來的。然而，在理論上，包括RSA 在內(nèi)的任何加密算法都不是天衣無縫的，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世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統(tǒng)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(yīng)運而生。