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    來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)海外版

                               郭光燦近影

                    

    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”。 

    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(jì)算機(jī)發(fā)展的“性能極限”。研究表明，芯片耗能產(chǎn)生于計(jì)算過(guò)程中的不可逆過(guò)程。如處理器對(duì)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(guò)程是不可逆的，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號(hào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)為可逆過(guò)程，由此引發(fā)了對(duì)量子計(jì)算的研究。 

    高速運(yùn)算的另一個(gè)秘密 

    量子計(jì)算之所以能快速高效地并行運(yùn)算，除了因?yàn)榱孔討B(tài)疊加性之外，還因?yàn)榱孔酉喔尚浴Ａ孔酉喔尚允侵噶孔又g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，若觀測(cè)到其中一電子是向左自轉(zhuǎn)的，那么根據(jù)動(dòng)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(chǔ)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(yùn)行的同一整體，對(duì)其中某一比特的處理就會(huì)影響到其它比特的運(yùn)行狀態(tài)，正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。量子計(jì)算之所以能快速高效地運(yùn)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(yùn)算錯(cuò)誤。雖然采用量子糾錯(cuò)碼技術(shù)可避免出錯(cuò)，但也只是發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達(dá)高效量子計(jì)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(dāng)數(shù)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(xù)地變化。量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)只能處在一些特定的運(yùn)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(shù)值，介于這些模式之間的運(yùn)動(dòng)方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時(shí)以其他的方式繞核運(yùn)動(dòng)，很快就必須回到特定運(yùn)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(xù)地、離散地變化。這樣的觀點(diǎn)和經(jīng)典物理學(xué)的觀點(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(xù)變化的。上世紀(jì)初，物理學(xué)家普朗克最早猜測(cè)到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。但要堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，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(gè)觀點(diǎn)。然而，大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)迫使物理學(xué)界迅速地接受這樣的觀點(diǎn)，將其發(fā)展起來(lái)，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(zhǎng)。早在2500年前，密碼就已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)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(yùn)而生。防與攻是一個(gè)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(shí)，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(wú)有效的解決方案和算法。這一點(diǎn)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(lái)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(wú)縫的，利用窮舉法可一一破解，只需衡量破解與所耗費(fèi)的人力物力和時(shí)間相比是否合理。但是，精通高速并行運(yùn)算的量子計(jì)算一旦問(wèn)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(yùn)而生。