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何时成功?解读量子计算机研制之路

导读: 虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩,不过科研工作者的脚步从未停止。他们已经在思考,未来的发展方向在哪里,并将目光瞄向了“天然的超级计算机”—量子计算机。

2016年11月18日,中科院软件所研究员杨超与清华大学副教授薛巍、付昊桓等人联合北师大组成的研究团队凭借在“神威·太湖之光”上运行的“千万核可扩展全球大气非静力云分辨模拟”应用,一举摘下国际高性能计算应用领域最高奖—戈登贝尔奖。同时,中科院计算机网络信息中心基于“神威·太湖之光”的“钛合金微结构演化相场模拟”也成功入围,获得提名。

高性能计算能力是国家重要科技实力的体现,中科院、科技部率先部署和支持了高性能计算相关规划与建设。到2016年,中国科学院高性能计算环境已为我国科研服务20年,支撑了多个国家重大规划、千余项国家各类科研项目。

虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩,不过科研工作者的脚步从未停止。他们已经在思考,未来的发展方向在哪里,并将目光瞄向了“天然的超级计算机”—量子计算机。

本文根据郭光灿院士在“纪念HPC@CAS20周年学术研讨会”上的报告整理、编辑而成,并经本人审阅。

一、“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生

量子计算机的诞生,和著名的摩尔定律有关,还和“杞人忧天”的物理学家们有关。

众所周知,摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度(单位芯片的晶体管数)。集成度不断提高,速度就不断加快,我们的手机、电脑就能不断更新换代。

图 1 摩尔定律

在20世纪80年代,摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业发展。但“杞人忧天”的物理学家们,却提出了一个“大煞风景”的问题:

摩尔定律有没有终结的时候?

之所以提出这个问题,是因为摩尔定律的技术基础,天然地受到两个主要物理限制。

一是巨大的能耗,芯片有被烧坏的危险。

芯片发热主要是因为计算机门操作时,其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量,操作速度越快,单位时间内产生的热量就越多,计算机温度必然迅速上升,必须消耗大量能量来散热,否则芯片将被烧坏。

二是为了提高集成度,晶体管越做越小,当小到只有一个电子时,量子效应就会出现。电子将不再受欧姆定律管辖,由于它有隧道效应,本来无法穿过的壁垒也穿过去了,所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。

这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。

【隧道效应: 由微观粒子波动性所确定的量子效应,又称势垒贯穿。本质上是量子跃迁,粒子迅速穿越势垒。在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;而对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。】

虽然这个预言在当时没有任何影响力,但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”,继续研究,提出了第二个问题:

如果摩尔定律终结,在后摩尔时代,提高运算速度的途径是什么?

这就导致了量子计算概念的诞生。

量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的,不会出现非可逆操作,所以耗能很小;而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。

甲之砒霜,乙之蜜糖。对于电子计算机来说是障碍的量子效应,对于量子计算机来说,反而成为了资源。

量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的。1985年,英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念,之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型,并开始付诸实践。

但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位,因为在相当长时间内摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高。

直到去年,美国政府宣布,摩尔定律终结了。微电子未来的发展方向是低能耗、专用这两个方向,而不再是追求速度。

从这个例子,人们再次看到,基础研究可能在当时看不到有什么实际价值,但未来却会发挥出巨大作用。

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