近日，在我國宣布超級計(jì)算機(jī)“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(jì)算機(jī)俱樂部的計(jì)劃對外曝光，該國科學(xué)院開始制造浮點(diǎn)運(yùn)算速度每秒１萬萬億次的本國性能最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)。作為超級計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)頭把交椅。
       然而，這只是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的競爭。各國和地區(qū)在加緊傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(yùn)算速度之快和性能強(qiáng)到不可思議的量子計(jì)算機(jī)，并以此開啟本國的“量子時代”。

       劃時代的科學(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問題。
       對此，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)記者專訪時這樣回答：“電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的時候，人類之前賴以使用的運(yùn)算工具算盤就顯得奇慢無比。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，1994年，人們采用1600臺工作站實(shí)施經(jīng)典的運(yùn)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?cái)?shù)相乘。若采用一臺量子計(jì)算機(jī)則1秒鐘就可以破解。隨著數(shù)長度的增大，電子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)所花時間是以多項(xiàng)式增長，仍然可以很快破解。
       郭光燦認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)將掀起一場劃時代的科學(xué)革命。他說，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，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。這聽起來依然頗為抽象和費(fèi)解。因?yàn)榫o接著的問題隨之產(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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yùn)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(jì)算機(jī)的研制工作，郭光燦介紹說，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，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、日本等科技強(qiáng)國角逐的重中之重。
       美國量子芯片研究計(jì)劃被命名為“微型曼哈頓計(jì)劃”，可見美國已經(jīng)把該計(jì)劃提高到幾乎與二戰(zhàn)時期研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”相當(dāng)?shù)母叨?。郭光燦介紹說，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(xiàng)目局負(fù)責(zé)人泰特在向美國眾議院軍事委員會做報(bào)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(jì)劃的第二位，并投巨資啟動微型曼哈頓計(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)的國際競爭。