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，美国和日本早已在该领域发力，并努力夺取超级计算机头把交椅。
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。”
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？”
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。
决战量子芯片
美国量子芯片研究计划被命名为“微型曼哈顿计划”，可见美国已经把该计划提高到几乎与二战时期研制原子弹的“曼哈顿计划”相当的高度。郭光灿介绍说，鉴于量子芯片在下一代产业和国家安全等方面的重要性，美国防部先进研究项目局负责人泰特在向美国众议院军事委员会做报告时，把半导体量子芯片科技列为未来9大战略研究计划的第二位，并投巨资启动微型曼哈顿计划，集中了包括Intel、IBM等半导体界巨头以及哈佛大学、普林斯顿大学、桑迪亚国家实验室等著名研究机构，组织各部门跨学科统筹攻关。在此刺激下，日本也紧跟其后启动类似计划，引发了新一轮关于量子计算技术的国际竞争。
传统计算机的软肋
自1946年第一台电子计算机诞生至今，共经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路4个时代。计算机科学日新月异，但其性能却始终满足不了人类日益增长的信息处理需求，且存在不可逾越的“两个极限”。
其一，随着传统硅芯片集成度的提高，芯片内部晶体管数与日俱增，相反其尺寸却越缩越小(如现在的英特尔双核处理器采用最新45纳米制造工艺，在143平方毫米内集成2.91亿晶体管)。根据摩尔定律估算，20年后制造工艺将达到几个原子级大小，甚至更小，从而导致芯片内部微观粒子性越来越弱，相反其波动性逐渐显著，传统宏观物理学定律因此不再适用，而遵循的是微观世界焕然一新的量子力学定理。也就是说，20年后传统计算机将达到它的“物理极限”。
高速运算的另一个秘密
量子计算之所以能快速高效地并行运算，除了因为量子态叠加性之外，还因为量子相干性。量子相干性是指量子之间的特殊联系，利用它可从一个或多个量子状态推出其它量子态。譬如两电子发生正向碰撞，若观测到其中一电子是向左自转的，那么根据动量和能量守恒定律，另外一电子必是向右自转。这两电子间所存在的这种联系就是量子相干性。可以把量子相干性应用于存储当中。若某串量子比特是彼此相干的，则可把此串量子比特视为协同运行的同一整体，对其中某一比特的处理就会影响到其它比特的运行状态，正所谓牵一发而动全身。量子计算之所以能快速高效地运算就缘于此。然而令人遗憾的是，量子相干性很难保持，在外部环境影响下很容易丢失相干性从而导致运算错误。虽然采用量子纠错码技术可避免出错，但也只是发现和纠正错误，却不能从根本上杜绝量子相干性的丢失。因此，到达高效量子计算时代还有一段艰难曲折的路。
(李建明、李锋)
神秘的“量子”
什么是“量子”？它和“原子”、“电子”、“中子”这些客观存在的粒子一样也是一种物质实体吗？答案是否定的。“量子”不是一种粒子，而是一种观念或一种概念。“量子”一词来自拉丁语quantum，意为“多少”，代表“相当数量的某事”。在物理学中提到“量子”时，实际上指的是微观世界的一种倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续地变化。量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时只能处在一些特定的运动模式上，在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子物理中，所有的物理量的值，都可能必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的，在经典物理学里所有的物理量都是连续变化的。上世纪初，物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但要坚持这个观点，就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点。然而，大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受这样的观点，将其发展起来，并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”，建立了如今的量子物理科学。