量子计算机：决战21世纪的利器 强到不可思议

      近日，在我国宣布超级计算机“天河一号”服务用户超过300家、成为部分领域核心生产力之际，俄罗斯加入世界超级计算机俱乐部的计划对外曝光，该国科学院开始制造浮点运算速度每秒１万万亿次的本国性能最强的超级计算机。作为超级计算机大国，美国和..早已在该领域发力，并努力夺取超级计算机头把交椅。

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　　然而，这只是在传统计算机的竞争。各国和地区在加紧传统计算机领域竞争，你追我赶的同时，都早已把目光转向在量子力学与现代信息科学“双剑合璧”的全新领域，制造运算速度之快和性能强到不可思议的量子计算机，并以此开启本国的“量子时代”。
 
　　划时代的科学革命
 
　　“量子计算机的运算能力到底有多强大？”这是人们常想到的一个问题。

　　对此，中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿在接受本报记者专访时这样回答：“电子计算机出现的时候，人类之前赖以使用的运算工具算盘就显得奇慢无比。与此类似，在量子计算机面前，电子计算机就是一把不折不扣的算盘。”
 
　　当然，以上只是一个形象的类比，如何具体量化描述量子计算机运算能力呢？郭光灿说，1994年，人们采用1600台工作站实施经典的运算花了8个月将数长为129位的大数成功地分解成两个素数相乘。若采用一台量子计算机则1秒钟就可以破解。随着数长度的增大，电子计算机所需花的时间将指数上升，例如数长为1000位，分解它所需时间比宇宙年龄还长，而量子计算机所花时间是以多项式增长，仍然可以很快破解。
 
　　郭光灿认为，量子计算机将掀起一场划时代的科学革命。他说，由于其强大的计算能力，可以解决电子计算机难以或不能解决的某些问题，为人类提供一种性能强大的新型模式的运算工具，大大增强人类分析解决问题的能力，将全方位大幅推进各领域研究。人类一旦掌握了这种强大的运算工具，人类文明将发展到崭新的时代。
 
　　奇妙的量子态叠加
 
　　量子计算机为什么大大超出传统计算机，具有超强的运算能力呢？郭光灿解释说，这是由量子计算机的并行计算模式和传统电子计算机的串行计算模式决定的。这听起来依然颇为抽象和费解。因为紧接着的问题随之产生：“什么是并行计算模式，什么是串行计算模式？又是什么导致了这两种计算模式呢？”
 
　　郭光灿说，传统电子计算机用比特（用“1”或者“0”表示）作为信息存储单位，进而实现各种运算。而运算过程是经由对存储器所存数据的操作来实施的。电子计算机无论其存储器有多少位只能存储一个数据，因此，对其实施一次操作只能变换一个数据，为运算某个函数，必须连续实施许多次操作，这就是串行计算模式。而量子计算机的信息单元是量子比特，即两个状态是“0”和“1”的相应量子态叠加。量子态叠加原理指出，量子存储器有“0”或“1”两种可能的状态，该存储器一般会处在“0”和“1”两个态的叠加态，因此一位量子存储器可同时存储“0”和“1”两个数据，而传统计算机处理器只能存储其中一个数据。如果有两位存储器的话，量子存储器可同时存储“00”、“01”、“10”、“11”4个数据，而传统存储器依然只能存储其中一个数据。不难想象，n位量子存储器可同时存储2n个数据，而传统计算机存储器依然只能存储其中一个数据。由此可知，量子存储器存储数据的能力是传统存储器的2n倍。随着存储器的位数n指数增长，当n=250时，该台小型量子计算机可以存储的数据比现在所知的宇宙中原子的数目还要多。正是基于量子态叠加原理，量子计算机具有巨大存储数据能力，因此，对其操作一次，可以同时将其存储的2n个数据变换成新的2n个数据，这就是效率大幅提高的并行运算模式。
 
　　造成这一切的无疑是量子世界的奇妙的“态叠加原理”。郭光灿指出，在经典世界里，要么是1、要么是0，要么是yes、要么是no，要么在楼上、要么在楼下，不可能出现两者的叠加状态，而这在量子世界里就是不确定的、状态是叠加的。
标签：计算机 决战 21世 利器 不
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