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(jìn)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？”世

       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。http://www.shi

       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(jìn)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?。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。