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歷經(jīng)數(shù)次波折，頗受業(yè)界矚目的Intel第四代酷睿處理器Haswell，終于即將登上歷史舞臺(tái)。

去年12月，這家全球最大的半導(dǎo)體芯片制造商推遲了其最新款CPU的發(fā)布，此次跳票令業(yè)界嘩然。2013年2月，為該款CPU配套的主板又曝出設(shè)計(jì)問題，被廠家緊急回收。進(jìn)入4月，由于傳言稱該款CPU將再次跳票至年底，投資銀行甚至將Intel的股票下調(diào)了評(píng)級(jí)。

Haswell的難產(chǎn)，或許意味著計(jì)算機(jī)行業(yè)的“摩爾定律”開始走到盡頭。

Intel公司創(chuàng)始人戈登·摩爾提出的摩爾定律，過去50年內(nèi)一直被奉為業(yè)界定律，其內(nèi)容大致為，當(dāng)價(jià)格不變，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月會(huì)增加一倍，性能也將隨之提升一倍。

這一定律確實(shí)在以半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)行業(yè)中無數(shù)次的被證實(shí)。Intel目前的芯片已經(jīng)含有10億個(gè)晶體管，每秒可執(zhí)行1000億條指令。

然而，在集成電路上容納更多的晶體管，就意味著芯片上的線寬尺寸要無限制縮小。隨著這一尺寸的縮小，芯片成本也將水漲船高。正是基于此，越來越多的公司無力承擔(dān)這種成本壓力，被迫退出芯片行業(yè)。

此外，從技術(shù)層面而言，如果芯片上線寬尺寸繼續(xù)縮小，達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，現(xiàn)行的半導(dǎo)體器件將無法工作，那時(shí)也就意味著摩爾定律的真正極限。

或許傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在未來幾十年內(nèi)仍能滿足家用和普通工作的需求，但如何突破芯片尺寸的極限，使計(jì)算機(jī)繼續(xù)向前飛躍性發(fā)展是傳統(tǒng)信息科學(xué)面臨的重大問題。當(dāng)芯片元件做到納米尺寸，微觀客體的運(yùn)行機(jī)制將服從量子力學(xué)，科學(xué)家因此提出了革命性的設(shè)想：利用量子科學(xué)開發(fā)出新的信息處理功能，即量子計(jì)算機(jī)。

“量子計(jì)算機(jī)具有并行處理數(shù)據(jù)的能力，所以運(yùn)算功能大幅增強(qiáng)，比如在大數(shù)分解方面，用現(xiàn)行的電子計(jì)算機(jī)分解一個(gè)129位的大數(shù)，需要好幾百臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)算好幾個(gè)月才能破譯，而量子計(jì)算機(jī)只需要一分鐘。”中國(guó)科技大學(xué)光學(xué)與物理系副教授涂濤告訴記者。

速度帶來的“原罪”

量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)原理，使用量子邏輯實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的設(shè)備，它的運(yùn)算速度比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的關(guān)鍵也正是量子計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的部分——存儲(chǔ)信息單位。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的電路不是“開”就是“關(guān)”，相對(duì)應(yīng)的一個(gè)傳統(tǒng)比特不是0就是1。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類似，量子計(jì)算所操縱的最基本單元也是比特，只不過是量子世界的“比特”。

一個(gè)量子比特可以同時(shí)表示0和1，兩個(gè)比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。因此理論上，300個(gè)量子比特可承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。而300個(gè)傳統(tǒng)比特能夠承載的數(shù)據(jù)只有2的300倍。換言之，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將是目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所無法比擬的。

此外，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力還隨量子處理器數(shù)目的增加呈指數(shù)增強(qiáng)。如果說之前的電子計(jì)算機(jī)甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)是加法運(yùn)算，那么量子計(jì)算機(jī)每增加一個(gè)量子，就相當(dāng)于多加了一個(gè)冪次方的指數(shù)級(jí)運(yùn)算，這將為人們以后在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等領(lǐng)域處理海量數(shù)據(jù)提供無比強(qiáng)大的運(yùn)算工具。

值得注意的是，大數(shù)分解算法是現(xiàn)行銀行體系通用的密碼加密方法。如果量子計(jì)算機(jī)研制成功，對(duì)現(xiàn)行的銀行密碼系統(tǒng)，勢(shì)必造成一定威脅。

目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個(gè)1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計(jì)算資源才有可能實(shí)現(xiàn)。但是從理論上講，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能解決這一問題。

在量子計(jì)算機(jī)面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會(huì)變得不堪一擊。這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

“但是目前我們還不需要擔(dān)心這個(gè)問題，量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上相當(dāng)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的‘航天飛機(jī)’，它并不需要像汽車一樣走進(jìn)千家萬戶，它是為銀行、軍事等國(guó)家安全體系進(jìn)行研究而做的高科技裝置。”涂濤介紹，“如同航天飛機(jī)的技術(shù)、燃料都需要高額的成本一樣，量子計(jì)算機(jī)也需要巨額的研究成本和幾代人的努力。”

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)和信息化》記者，量子計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)至關(guān)重要的一項(xiàng)科技革新。由于其強(qiáng)大的計(jì)算能力，量子計(jì)算機(jī)可以解決電子計(jì)算機(jī)難以解決或不能解決的問題，如果能克服重重困難實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，將推動(dòng)整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步。

“測(cè)不準(zhǔn)”的量子

量子計(jì)算的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子并行處理上，無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬，都本質(zhì)性地利用了量子相干性。

這里的所說的相干性，其中一種說法就是愛因斯坦和其合作者在1935年根據(jù)假想實(shí)驗(yàn)作出的一個(gè)預(yù)言。打一個(gè)簡(jiǎn)單的比方，有點(diǎn)像擲硬幣。擲出的硬幣，觀測(cè)了其中一面后，那么另一面就一定能夠確定。

要在量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)高效率的并行運(yùn)算，就要用到量子相干性。彼此有關(guān)的量子比特串列，會(huì)作為一個(gè)整體動(dòng)作。因此，只要對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行處理，影響就會(huì)立即傳送到串列中其余的量子比特。這一特點(diǎn)，正是量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高速運(yùn)算的關(guān)鍵�？梢坏┦�去了量子相干性，量子計(jì)算的優(yōu)越性就消失殆盡，就像假如硬幣的兩面不再有著對(duì)立的關(guān)系，所有的觀察也就毫無意義。

不幸的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，量子相干性真的很難維持。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間是有限制的。這是因?yàn)�，量子比特之間的相干性很難長(zhǎng)時(shí)間保持。在計(jì)算機(jī)中，量子比特不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，它會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生作用而使量子相干性衰減。量子比特從相干狀態(tài)到失去相干性這段時(shí)間叫做“退相干時(shí)間”。如果退相干時(shí)間不能足夠長(zhǎng)，就無法完成計(jì)算。所以，延長(zhǎng)退相干時(shí)間，是以后必須解決的重大課題。

以目前的技術(shù)水平而言，制作出可以實(shí)際使用的量子計(jì)算機(jī)，還為時(shí)尚早。

今年2月，IBM[微博]宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展，這也僅僅意味著他們具備在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持柵電極狀態(tài)的能力。而只有當(dāng)數(shù)據(jù)差錯(cuò)降低到足夠小，才能把許多柵電極組合在一起，從而得到一個(gè)可以實(shí)際應(yīng)用的量子位。

而宣稱早在2007年就推出商用量子計(jì)算機(jī)的加拿大D-Wave系統(tǒng)公司，其新一代產(chǎn)品D-waveTwo號(hào)稱擁有512個(gè)量子比特，似乎是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至是整個(gè)時(shí)代。然而該公司對(duì)其核心計(jì)算技術(shù)始終三緘其口，學(xué)界對(duì)此更是議論紛紛。

“微型曼哈頓”計(jì)劃

近10多年來，國(guó)際著名刊物《自然》和《科學(xué)》平均每個(gè)月發(fā)表一篇量子計(jì)算機(jī)研究的論文，量子計(jì)算機(jī)一直作為科學(xué)界研究的重點(diǎn)在穩(wěn)步前行。2012年3月1日IBM研究院的科學(xué)家在提高量子計(jì)算裝置性能方面取得重大進(jìn)展。他們做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時(shí)保持量子比特的量子機(jī)械特性完整，從而進(jìn)一步加快研制全尺寸實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的步伐。IBM公司估計(jì)，再用10到15年，就可以制成可靠的量子計(jì)算機(jī)。

由于IBM的研究突破，對(duì)超導(dǎo)量子比特和未來研制量子計(jì)算機(jī)的樂觀情緒快速高漲。更令人可喜的是，2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)再次頒給量子物理學(xué)家。法國(guó)物理學(xué)家塞爾日·阿羅什(SergeHaroche)和美國(guó)物理學(xué)家戴維·維因蘭(DavidWineland)，由于“獨(dú)立發(fā)明和發(fā)展了測(cè)量和操縱單個(gè)粒子的同時(shí)，又保持其量子性質(zhì)的方法”而獲得2012年諾貝爾物理獎(jiǎng)。瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)為：“他們的突破性方法使該研究領(lǐng)域向著建造基于量子物理的新型超快計(jì)算機(jī)邁出了第一步。”

美國(guó)量子芯片研究計(jì)劃被命名為“微型曼哈頓計(jì)劃”，美國(guó)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Intel、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)。

由此可見，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�。隨后，日本也啟動(dòng)類似計(jì)劃。國(guó)際范圍內(nèi)，新一輪關(guān)于量子計(jì)算技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)呼之欲出。

在郭光燦看來，“正是由于量子芯片在下一代產(chǎn)業(yè)和國(guó)家安全等方面均具有舉足輕重的作用，所以各國(guó)在相關(guān)研究方面均給予了足夠的重視。”

我國(guó)也不例外。《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》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。

但另一方面，也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，中國(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。

郭光燦建議中國(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)。