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(kāi)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(kāi)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(pán)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(pán)。”
       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(tīng)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？”
       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(kāi)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?。郭光燦介紹說(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(mén)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)。