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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。

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)計問題，被廠家緊急回收。進入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)了評級。

Haswell的難產(chǎn)，或許意味著計算機行業(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，當價格不變，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月會增加一倍，性能也將隨之提升一倍。

這一定律確實在以半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的電子計算機行業(yè)中無數(shù)次的被證實。Intel目前的芯片已經(jīng)含有10億個晶體管，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，達到納米數(shù)量級時，材料的物理、化學性能將發(fā)生質(zhì)的變化，現(xiàn)行的半導(dǎo)體器件將無法工作，那時也就意味著摩爾定律的真正極限。

或許傳統(tǒng)計算機在未來幾十年內(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，使計算機繼續(xù)向前飛躍性發(fā)展是傳統(tǒng)信息科學面臨的重大問題。當芯片元件做到納米尺寸，微觀客體的運行機制將服從量子力學，科學家因此提出了革命性的設(shè)想：利用量子科學開發(fā)出新的信息處理功能，即量子計算機。

“量子計算機具有并行處理數(shù)據(jù)的能力，所以運算功能大幅增強，比如在大數(shù)分解方面，用現(xiàn)行的電子計算機分解一個129位的大數(shù)，需要好幾百臺計算機運算好幾個月才能破譯，而量子計算機只需要一分鐘。”中國科技大學光學與物理系副教授涂濤告訴記者。

速度帶來的“原罪”

量子計算機是基于量子力學原理，使用量子邏輯實現(xiàn)通用計算的設(shè)備，它的運算速度比傳統(tǒng)電子計算機強大的關(guān)鍵也正是量子計算機最基礎(chǔ)的部分——存儲信息單位。

傳統(tǒng)計算機的電路不是“開”就是“關(guān)”，相對應(yīng)的一個傳統(tǒng)比特不是0就是1。與傳統(tǒng)計算機類似，量子計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”。

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

此外，量子計算機的運算能力還隨量子處理器數(shù)目的增加呈指數(shù)增強。如果說之前的電子計算機甚至超級計算機是加法運算，那么量子計算機每增加一個量子，就相當于多加了一個冪次方的指數(shù)級運算，這將為人們以后在大數(shù)據(jù)、云計算等領(lǐng)域處理海量數(shù)據(jù)提供無比強大的運算工具。

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。如果量子計算機研制成功，對現(xiàn)行的銀行密碼系統(tǒng)，勢必造成一定威脅。

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1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計算資源才有可能實現(xiàn)。但是從理論上講，一臺量子計算機在幾個小時內(nèi)就能解決這一問題。

在量子計算機面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會變得不堪一擊。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心這個問題，量子計算機實際上相當于計算機領(lǐng)域的‘航天飛機’，它并不需要像汽車一樣走進千家萬戶，它是為銀行、軍事等國家安全體系進行研究而做的高科技裝置。”涂濤介紹，“如同航天飛機的技術(shù)、燃料都需要高額的成本一樣，量子計算機也需要巨額的研究成本和幾代人的努力。”

中國科學院院士、中國科學院量子信息重點實驗室主任郭光燦告訴《中國經(jīng)濟和信息化》記者，量子計算機是21世紀至關(guān)重要的一項科技革新。由于其強大的計算能力，量子計算機可以解決電子計算機難以解決或不能解決的問題，如果能克服重重困難實現(xiàn)量子計算機，將推動整個社會的進步。

“測不準”的量子

量子計算的優(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)假想實驗作出的一個預(yù)言。打一個簡單的比方，有點像擲硬幣。擲出的硬幣，觀測了其中一面后，那么另一面就一定能夠確定。

要在量子計算機中實現(xiàn)高效率的并行運算，就要用到量子相干性。彼此有關(guān)的量子比特串列，會作為一個整體動作。因此，只要對一個量子比特進行處理，影響就會立即傳送到串列中其余的量子比特。這一特點，正是量子計算機能夠進行高速運算的關(guān)鍵�？梢坏┦�去了量子相干性，量子計算的優(yōu)越性就消失殆盡，就像假如硬幣的兩面不再有著對立的關(guān)系，所有的觀察也就毫無意義。

不幸的是，在實際系統(tǒng)中，量子相干性真的很難維持。

與傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機的運算時間是有限制的。這是因為，量子比特之間的相干性很難長時間保持。在計算機中，量子比特不是一個孤立系統(tǒng)，它會與外部環(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間叫做“退相干時間”。如果退相干時間不能足夠長，就無法完成計算。所以，延長退相干時間，是以后必須解決的重大課題。

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

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

而宣稱早在2007年就推出商用量子計算機的加拿大D-Wave系統(tǒng)公司，其新一代產(chǎn)品D-waveTwo號稱擁有512個量子比特，似乎是遠遠超越了所有競爭對手甚至是整個時代。然而該公司對其核心計算技術(shù)始終三緘其口，學界對此更是議論紛紛。

“微型曼哈頓”計劃

近10多年來，國際著名刊物《自然》和《科學》平均每個月發(fā)表一篇量子計算機研究的論文，量子計算機一直作為科學界研究的重點在穩(wěn)步前行。2012年3月1日IBM研究院的科學家在提高量子計算裝置性能方面取得重大進展。他們做到了在減少基本運算誤差的同時保持量子比特的量子機械特性完整，從而進一步加快研制全尺寸實用量子計算機的步伐。IBM公司估計，再用10到15年，就可以制成可靠的量子計算機。

由于IBM的研究突破，對超導(dǎo)量子比特和未來研制量子計算機的樂觀情緒快速高漲。更令人可喜的是，2012年的諾貝爾物理學獎再次頒給量子物理學家。法國物理學家塞爾日·阿羅什(SergeHaroche)和美國物理學家戴維·維因蘭(DavidWineland)，由于“獨立發(fā)明和發(fā)展了測量和操縱單個粒子的同時，又保持其量子性質(zhì)的方法”而獲得2012年諾貝爾物理獎。瑞典皇家科學院認為：“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算機邁出了第一步。”

美國量子芯片研究計劃被命名為“微型曼哈頓計劃”，美國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(dǎo)體量子芯片科技列為未來9大戰(zhàn)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(dǎo)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(gòu)，組織各部門跨學科統(tǒng)籌攻關(guān)。

由此可見，美國已經(jīng)把該計劃提高到幾乎與二戰(zhàn)時期研制原子彈的“曼哈頓計劃”相當?shù)母叨�。隨后，日本也啟動類似計劃。國際范圍內(nèi)，新一輪關(guān)于量子計算技術(shù)的國際競爭呼之欲出。

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

我國也不例外�！秶�家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》將“量子調(diào)控”列入重大基礎(chǔ)研究計劃。近年來，固態(tài)量子芯片研究被列為國家重大科學研究計劃重大科學目標導(dǎo)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(shù)在我國的發(fā)展。

但另一方面，也必須清醒地認識到，中國在該領(lǐng)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(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》一文中指出的那樣，鑒于基礎(chǔ)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(chuàng)性的成果還很少，總體水平明顯落后于美日強國，在量子計算機方面，差距正日益增大。

郭光燦建議中國啟動一個類似美國“微型曼哈頓”計劃的戰(zhàn)略攻關(guān)項目，組織國內(nèi)精銳研究隊伍，提供足夠強大的支撐，加強相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)，尋求技術(shù)突破，在下一代量子芯片的國際競爭中搶占戰(zhàn)略制高點。