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，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，人們采用1600臺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。若采用一臺量子計算機則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

       量子計算機為什么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。因為緊接著的問題隨之產生：“什么是并行計算模式，什么是串行計算模式？又是什么導致了這兩種計算模式呢？”
       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。不難想象，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，該臺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。正是基于量子態疊加原理，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并行運算模式。
       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，不可能出現兩者的疊加狀態，而這在量子世界里就是不確定的、狀態是疊加的。

       決戰量子芯片

       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，鑒于量子芯片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，把半導體量子芯片科技列為未來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，日本也緊跟其后啟動類似計劃，引發了新一輪關于量子計算技術的國際競爭。