量子計算機：決勝21世紀的利器

近日，在我國宣布超級計算機“天河一号”服務使用者超過 300 家、成為部分領域核心生産力之際，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域發力，并努力奪取超級計算機頭把交椅。

　　然而，這隻是在傳統計算機的競争。各國和地區在加緊傳統計算機領域競争，你追我趕的同時，都早已把目光轉向在量子力學與現代資訊科學“雙劍合璧”的全新領域，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、中科院量子資訊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，以上隻是一個形象的類比，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 台工作站實施經典的運算花了 8 個月将數長為 129 位的大數成功地分解成兩個素數相乘。若采用一台量子計算機則 1 秒鐘就可以破解。随着數長度的增大，電子計算機所需花的時間将指數上升，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，量子計算機将掀起一場劃時代的科學革命。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，将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，人類文明将發展到嶄新的時代。

　　奇妙的量子态疊加

　　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并行計算模式和傳統電子計算機的串行計算模式決定的。這聽起來依然頗為抽象和費解。因為緊接着的問題随之産生：“什麼是并行計算模式，什麼是串行計算模式？又是什麼導緻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)作為資訊存儲機關，進而實作各種運算。而運算過程是經由對存儲器所存資料的操作來實施的。電子計算機無論其存儲器有多少位隻能存儲一個資料，是以，對其實施一次操作隻能變換一個資料，為運算某個函數，必須連續實施許多次操作，這就是串行計算模式。而量子計算機的資訊單元是量子比特，即兩個狀态是“0”和“1”的相應量子态疊加。量子态疊加原理指出，量子存儲器有“0”或“1”兩種可能的狀态，該存儲器一般會處在“0”和“1”兩個态的疊加态，是以一位量子存儲器可同時存儲“0”和“1”兩個資料，而傳統計算機處理器隻能存儲其中一個資料。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個資料，而傳統存儲器依然隻能存儲其中一個資料。不難想象，n位量子存儲器可同時存儲 2n 個資料，而傳統計算機存儲器依然隻能存儲其中一個資料。由此可知，量子存儲器存儲資料的能力是傳統存儲器的 2n 倍。随着存儲器的位數n指數增長，當n=250時，該台小型量子計算機可以存儲的資料比現在所知的宇宙中原子的數目還要多。正是基于量子态疊加原理，量子計算機具有巨大存儲資料能力，是以，對其操作一次，可以同時将其存儲的 2n 個資料變換成新的 2n 個資料，這就是效率大幅提高的并行運算模式。

　　造成這一切的無疑是量子世界的奇妙的“态疊加原理”。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态，而這在量子世界裡就是不确定的、狀态是疊加的。

　　決戰量子晶片

　　關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略意義，近 20 年來，相關領域的科學家紛紛投入研制工作，雖然面臨重重技術障礙，但取得一些重要進展，證明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，量子晶片的開發與研制成為美國、日本等科技強國角逐的重中之重。

　　美國量子晶片研究計劃被命名為“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制原子彈的“曼哈頓計劃”相當的高度。郭光燦介紹說，鑒于量子晶片在下一代産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衆議院軍事委員會做報告時，把半導體量子晶片科技列為未來 9 大戰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 Intel、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，引發了新一輪關于量子計算技術的國際競争。

　　關于我國量子計算研究，郭光燦介紹說，我國“中長期科技發展綱要”将“量子調控”列入重大基礎研究計劃。近年來，固态量子晶片研究被列為國家重大科學研究計劃重大科學目标導向項目(又稱“超級 973”)給予重點支援。這些舉措有力推動了量子資訊技術在我國的發展。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，鑒于基礎較弱，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，總體水準明顯落後于美日強國，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，組織國内精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關基礎建設，尋求技術突破，在下一代量子晶片的國際競争中搶占戰略制高點。

　　傳統計算機的軟肋

　　自 1946 年第一台電子計算機誕生至今，共經曆了電子管、半導體、中小規模內建電路和大規模內建電路 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資訊處理需求，且存在不可逾越的“兩個極限”。

　　其一，随着傳統矽晶片內建度的提高，晶片内部半導體數與日俱增，相反其尺寸卻越縮越小(如現在的英特爾雙核處理器采用最新 45 納米制造技術，在 143 平方毫米内內建2.91億半導體)。根據摩爾定律估算，20年後制造技術将達到幾個原子級大小，甚至更小，進而導緻晶片内部微觀粒子性越來越弱，相反其波動性逐漸顯著，傳統宏觀實體學定律是以不再适用，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年後傳統計算機将達到它的“實體極限”。

　　其二，內建度的提高所帶來耗能與散熱的問題反過來制約着晶片內建度的規模，傳統矽晶片內建度的停滞不前将導緻計算機發展的“性能極限”。研究表明，晶片耗能産生于計算過程中的不可逆過程。如處理器對輸入兩串資料的異或操作而最終結果卻隻有一列資料的輸出，這過程是不可逆的，根據能量守恒定律，消失的資料信号必然會産生熱量。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片耗能問題。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。

　　高速運算的另一個秘密

　　量子計算之是以能快速高效地并行運算，除了因為量子态疊加性之外，還因為量子相幹性。量子相幹性是指量子之間的特殊聯系，利用它可從一個或多個量子狀态推出其它量子态。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恒定律，另外一電子必是向右自轉。這兩電子間所存在的這種聯系就是量子相幹性。可以把量子相幹性應用于存儲當中。若某串量子比特是彼此相幹的，則可把此串量子比特視為協同運作的同一整體，對其中某一比特的處理就會影響到其它比特的運作狀态，正所謂牽一發而動全身。量子計算之是以能快速高效地運算就緣于此。然而令人遺憾的是，量子相幹性很難保持，在外部環境影響下很容易丢失相幹性進而導緻運算錯誤。雖然采用量子糾錯碼技術可避免出錯，但也隻是發現和糾正錯誤，卻不能從根本上杜絕量子相幹性的丢失。是以，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”。在實體學中提到“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于不連續地變化。量子實體學告訴我們，電子繞原子核運動時隻能處在一些特定的運動模式上，在這些模式上，電子的角動量分别具有特定的數值，介于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。實際上在量子實體中，所有的實體量的值，都可能必須不連續地、離散地變化。這樣的觀點和經典實體學的觀點是截然不同的，在經典實體學裡所有的實體量都是連續變化的。上世紀初，實體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，就意味着背叛經典實體學。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實體學界迅速地接受這樣的觀點，将其發展起來，并結合其他一些公設如“量子态疊加原理”，建立了如今的量子實體科學。

　　(徐麗莉)

　　沖擊傳統密碼學

　　密碼通信源遠流長。早在 2500 年前，密碼就已廣泛應用于戰争與外交之中。随着曆史的發展，密碼和秘密通訊備受關注，密碼學也應運而生。防與攻是一個永恒的話題，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算法。這一點在密碼學有重要應用，現在廣泛應用于網際網路，銀行和金融系統的 RSA 加密系統就是基于因式難分解而開發出來的。然而，在理論上，包括 RSA 在内的任何加密算法都不是天衣無縫的，利用窮舉法可一一破解，隻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，精通高速并行運算的量子計算一旦問世，萦繞人類很久的因式分解難題迎刃而解，傳統密碼學将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運而生。

原文釋出時間為：2017年01月17日

本文作者：spinsoft

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