人民日報海外版 量子計算機：決勝21世紀的利器

郭光燦近影

近日，在我國宣布超級計算機「天河一號」服務用戶超過300家、成為部分領域核心生產力之際，俄羅斯加入世界超級計算機俱樂部的計劃對外曝光，該國科學院開始製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域發力，並努力奪取超級計算機頭把交椅。然而，這只是在傳統計算機的競爭。各國和地區在加緊傳統計算機領域競爭，你追我趕的同時，都早已把目光轉向在量子力學與現代信息科學「雙劍合璧」的全新領域，製造運算速度之快和性能強到不可思議的量子計算機，並以此開啟本國的「量子時代」。劃時代的科學革命「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，人們採用1600台工作站實施經典的運算花了8個月將數長為129位的大數成功地分解成兩個素數相乘。若採用一台量子計算機則1秒鐘就可以破解。隨著數長度的增大，電子計算機所需花的時間將指數上升，例如數長為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。郭光燦認為，量子計算機將掀起一場劃時代的科學革命。他說，由於其強大的計算能力，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，將全方位大幅推進各領域研究。人類一旦掌握了這種強大的運算工具，人類文明將發展到嶄新的時代。奇妙的量子態疊加量子計算機為什麼大大超出傳統計算機，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並行計算模式和傳統電子計算機的串列計算模式決定的。這聽起來依然頗為抽象和費解。因為緊接著的問題隨之產生：「什麼是並行計算模式，什麼是串列計算模式？又是什麼導致了這兩種計算模式呢？」郭光燦說，傳統電子計算機用比特（用「1」或者「0」表示）作為信息存儲單位，進而實現各種運算。而運算過程是經由對存儲器所存數據的操作來實施的。電子計算機無論其存儲器有多少位只能存儲一個數據，因此，對其實施一次操作只能變換一個數據，為運算某個函數，必須連續實施許多次操作，這就是串列計算模式。而量子計算機的信息單元是量子比特，即兩個狀態是「0」和「1」的相應量子態疊加。量子態疊加原理指出，量子存儲器有「0」或「1」兩種可能的狀態，該存儲器一般會處在「0」和「1」兩個態的疊加態，因此一位量子存儲器可同時存儲「0」和「1」兩個數據，而傳統計算機處理器只能存儲其中一個數據。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個數據，而傳統存儲器依然只能存儲其中一個數據。不難想像，n位量子存儲器可同時存儲2n個數據，而傳統計算機存儲器依然只能存儲其中一個數據。由此可知，量子存儲器存儲數據的能力是傳統存儲器的2n倍。隨著存儲器的位數n指數增長，當n=250時，該台小型量子計算機可以存儲的數據比現在所知的宇宙中原子的數目還要多。正是基於量子態疊加原理，量子計算機具有巨大存儲數據能力，因此，對其操作一次，可以同時將其存儲的2n個數據變換成新的2n個數據，這就是效率大幅提高的並行運算模式。造成這一切的無疑是量子世界的奇妙的「態疊加原理」。郭光燦指出，在經典世界裡，要麼是1、要麼是0，要麼是yes、要麼是no，要麼在樓上、要麼在樓下，不可能出現兩者的疊加狀態，而這在量子世界裡就是不確定的、狀態是疊加的。決戰量子晶元關於量子計算機的研製工作，郭光燦介紹說，鑒於量子計算機的強大功能和特殊重大的戰略意義，近20年來，相關領域的科學家紛紛投入研製工作，雖然面臨重重技術障礙，但取得一些重要進展，證實了研製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，量子晶元的開發與研製成為美國、日本等科技強國角逐的重中之重。美國量子晶元研究計劃被命名為「微型曼哈頓計劃」，可見美國已經把該計劃提高到幾乎與二戰時期研製原子彈的「曼哈頓計劃」相當的高度。郭光燦介紹說，鑒於量子晶元在下一代產業和國家安全等方面的重要性，美國防部先進研究項目局負責人泰特在向美國眾議院軍事委員會做報告時，把半導體量子晶元科技列為未來9大戰略研究計劃的第二位，並投巨資啟動微型曼哈頓計劃，集中了包括因特爾、IBM等半導體界巨頭以及哈佛大學、普林斯頓大學、桑迪亞國家實驗室等著名研究機構，組織各部門跨學科統籌攻關。在此刺激下，日本也緊跟其後啟動類似計劃，引發了新一輪關於量子計算技術的國際競爭。關於我國量子計算研究，郭光燦介紹說，我國「中長期科技發展綱要」將「量子調控」列入重大基礎研究計劃。近年來，固態量子晶元研究被列為國家重大科學研究計劃重大科學目標導向項目（又稱「超級973」）給予重點支持。這些舉措有力推動了量子信息技術在我國的發展。但是另一方面，也必須清醒地認識到我國在該領域存在的不足甚至面臨的危機，正如郭光燦在《量子計算機的發展現狀與趨勢》一文中指出的那樣，鑒於基礎較弱，研究積累較薄，我國在量子計算國際主流方向上做出原創性的成果還很少，總體水平明顯落後於美日強國，在量子計算機方面，差距正日益增大。他在文中建議我國啟動一個類似美國「微型」曼哈頓計劃的戰略攻關項目，組織國內精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關基礎建設，尋求技術突破，在下一代量子晶元的國際競爭中搶佔戰略制高點。傳統計算機的軟肋自1946年第一台電子計算機誕生至今，共經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路和大規模集成電路4個時代。計算機科學日新月異，但其性能卻始終滿足不了人類日益增長的信息處理需求，且存在不可逾越的「兩個極限」。其一，隨著傳統硅晶元集成度的提高，晶元內部晶體管數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小（如現在的英特爾雙核處理器採用最新45納米製造工藝，在143平方毫米內集成2.91億晶體管）。根據摩爾定律估算，20年後製造工藝將達到幾個原子級大小，甚至更小，從而導致晶元內部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統宏觀物理學定律因此不再適用，而遵循的是微觀世界煥然一新的量子力學定理。也就是說，20年後傳統計算機將達到它的「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晶元集成度的規模，傳統硅晶元集成度的停滯不前將導致計算機發展的「性能極限」。研究表明，晶元耗能產生於計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串數據的異或操作而最終結果卻只有一列數據的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恆定律，消失的數據信號必然會產生熱量。倘若輸出時處理器能保留一串無用序列，即把不可逆轉換為可逆過程，則能從根本上解決晶元耗能問題。利用量子力學裡的相關理論，能把不可逆轉為可逆過程，由此引發了對量子計算的研究。（李建明李鋒）高速運算的另一個秘密量子計算之所以能快速高效地並行運算，除了因為量子態疊加性之外，還因為量子相干性。量子相干性是指量子之間的特殊聯繫，利用它可從一個或多個量子狀態推出其它量子態。譬如兩電子發生正向碰撞，若觀測到其中一電子是向左自轉的，那麼根據動量和能量守恆定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯繫就是量子相干性。可以把量子相干性應用於存儲當中。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同運行的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運行狀態，正所謂牽一髮而動全身。量子計算之所以能快速高效地運算就緣於此。然而令人遺憾的是，量子相干性很難保持，在外部環境影響下很容易丟失相干性從而導致運算錯誤。雖然採用量子糾錯碼技術可避免出錯，但也只是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相干性的丟失。因此，到達高效量子計算時代還有一段艱難曲折的路。（李建明李鋒）神秘的「量子」什麼是「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實體嗎？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」一詞來自拉丁語quantum，意為「多少」，代表「相當數量的某事」。在物理學中提到「量子」時，實際上指的是微觀世界的一種傾向：物質或者說粒子的能量和其他一些性質都傾向於不連續地變化。量子物理學告訴我們，電子繞原子核運動時只能處在一些特定的運動模式上，在這些模式上，電子的角動量分別具有特定的數值，介於這些模式之間的運動方式是極不穩定的。即使電子暫時以其他的方式繞核運動，很快就必須回到特定運動模式上來。實際上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必須不連續地、離散地變化。這樣的觀點和經典物理學的觀點是截然不同的，在經典物理學裡所有的物理量都是連續變化的。上世紀初，物理學家普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。但要堅持這個觀點，就意味著背叛經典物理學。保守的普朗克最終放棄了這個觀點。然而，大量的實驗事實迫使物理學界迅速地接受這樣的觀點，將其發展起來，並結合其他一些公設如「量子態疊加原理」，建立了如今的量子物理科學。（徐麗莉）衝擊傳統密碼學密碼通信源遠流長。早在2500年前，密碼就已廣泛應用於戰爭與外交之中。隨著歷史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恆的話題，當科學家們如火如荼地研究各種加密之策時，破譯之道也得以迅速發展。傳統理論認為，大數的因式分解是數學界的一道難題，至今也無有效的解決方案和演算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用於互聯網，銀行和金融系統的RSA加密系統就是基於因式難分解而開發出來的。然而，在理論上，包括RSA在內的任何加密演算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，只需衡量破解與所耗費的人力物力和時間相比是否合理。但是，精通高速並行運算的量子計算一旦問世，縈繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學將受到前所未有的巨大衝擊。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運而生。（李建明李鋒）
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