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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1萬萬億次的本國(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，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，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(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，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？”
郭光燦說，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)算過程是經(jīng)由對(duì)存儲(chǔ)器所存數(shù)據(jù)的操作來實(shí)施的。電子計(jì)算機(jī)無論其存儲(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(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�。郭光燦介紹說，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，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，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，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(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)算過程中的不可逆過程。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(duì)量子計(jì)算的研究。那么，我們什么時(shí)候能用它來擼CCQ呢?
-------發(fā)自NOKIA Lumia 900上的微民網(wǎng)Brush for WP7只要還是馮諾依曼架構(gòu)就別吹牛B吹那么大這跟當(dāng)年吹龍芯一樣，核心基礎(chǔ)還是被別人掐著脖子聲嘶力竭的喊出來 三體人傳授兔子黑技術(shù)了這方面，我只信IBM的....這么搞，碼農(nóng)是不是都失業(yè)了？直接用易語言。。。
電子工程師是不是也失業(yè)了？不用電路了嗎？量子技術(shù)不是已經(jīng)被智子鎖死了嗎？不是說這玩意兒一出來，世間所有的密碼都無所遁形了嗎？