量子計算擁有超乎想象的并行處理能力

科學社會學的奠基人貝爾納曾說：“科學與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的。”今天，倘若我們要追溯風靡全球的信息化戰(zhàn)爭之科技源頭的話，無疑是 1946年世界第一臺計算機“ENIAC”誕生所開啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機械化戰(zhàn)爭圖景的電子信息科技，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數十年之后，制約其進一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯：電子計算機的極限運算速度是否存在?越來越一體化的電子信息網絡如何應對“網電空間戰(zhàn)”?等等。對此，近年來不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機遇之門，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)神的面孔。

量子計算：從科幻走入現(xiàn)實的神奇魔力

曾創(chuàng)作出《侏羅紀公園》和《失去的世界》等作品的著名科幻作家邁克爾·克萊頓，在科幻小說《時間線》中曾嘗試用文學的筆調來想象量子計算的神奇。其中，一家名為國際技術公司的經理們如此推銷其眼中的高新科技：“普通的計算機用電子的兩種狀態(tài)計算，這兩種狀態(tài)被定為0和1。但在20年前，理查德·費曼就提出，有可能利用電子所有的32個量子態(tài)來進行快速計算?，F(xiàn)在有諸多實驗室正在試圖制造這樣的計算機。它們的優(yōu)點是難以想象的、強大的并行計算能力。”

作為科幻作品，克萊頓的小說中充斥著“量子多宇宙”“量子泡沫蟲洞”“量子運輸”“量子糾纏態(tài)”等令人既感新奇又感陌生的詞匯，書中之“電子的 32個量子態(tài)”說法也并不科學。然而，克萊頓預言的量子“并行計算”的強大潛力和美好前景，如今卻正在現(xiàn)實世界一步步得到印證。

具體而言，1965年，英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾針對電子計算機技術的發(fā)展提出了“每18個月計算能力翻倍”的摩爾定律。然而，由于傳統(tǒng)技術的物理局限性，這一能力或將在未來10～20年之內達到極限。據保守估計，2018年芯片制造業(yè)就將步入16納米的工藝流程，業(yè)內專家則認為，16 納米制程已經是普通硅芯片的盡頭。事實上，當芯片的制程小于20納米之后，量子效應就將嚴重影響芯片的設計和生產，單純通過減小制程將無法繼續(xù)遵循摩爾定律，而突破的希望恰在于量子計算。

從理論上講，一個250量子比特(由250個原子構成)的存儲器，可能存儲的數達2的250次方，比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數目還要多。無論在基礎理論還是在具體算法上，量子計算都是超越性的。因此，對量子計算的相關研究及量子計算機的具體研制已成為世界科學領域最閃亮的“明珠”之一。比如，美國國防部對此就給予了高度重視，國防高級研究計劃署(DARPA)專門制定了名為“量子信息科學和技術發(fā)展規(guī)劃”的研究計劃，其對外公開宣稱的目標是，若干年內要在核磁共振量子計算、中性原子量子計算、諧振量子電子動態(tài)計算、光量子計算、離子阱量子計算及固態(tài)量子計算等領域取得重大研究進展。

量子密碼：構筑“數字城堡”的銅墻鐵壁

近年來，諜戰(zhàn)劇熱播我國熒屏，圍繞著奪取情報、破譯密碼，一個個斗智斗勇的故事，吸引了無數觀眾的眼球。然而很多人并不知道，隨著量子信息技術的發(fā)展，密碼通訊正在迎來劃時代的變化，一種永遠無法破譯的密碼或將在不遠的未來登上軍事斗爭舞臺。

具體來說，目前的密碼大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解或其它復雜的數學原理。例如，在目前互聯(lián)網上比較常用的RSA密碼算法，就是應用因數分解的原理。因為要計算兩個大質數的乘積很容易，但要將乘積分解回質數卻極為困難，這就使得密碼很難被破解。然而，美國科學家皮特·休爾卻提出了 “量子算法”，它利用量子計算的并行性，可以快速分解出大數的質因子，這意味著以大數因式分解算法為根基的密碼體系在量子計算機面前不堪一擊。

差不多同時，另一個著名的量子算法——“量子搜尋算法”也被提出，用該方法攻擊現(xiàn)有密碼體系，經典計算需要1000年的運算量，量子計算機只需小于4分鐘的時間，從而使傳統(tǒng)密碼領域遭遇前所未有的挑戰(zhàn)，以致有科學家宣稱：“其意義不亞于核武器……一旦有些國家擁有了量子計算機，而另一些國家卻沒有，當戰(zhàn)爭爆發(fā)的時候，這就猶如一個瞎子和一個睜眼的人在打架一樣，對方可以把你的東西看得清清楚楚，而你卻什么都看不到。”

當然，量子計算機的出現(xiàn)雖然會對傳統(tǒng)密碼產生顛覆，但是量子信息同時也提供了一個守護神，即一種理論上無法破解的密碼——量子密碼。由于采用量子態(tài)作為密鑰，具有不可復制性，因而無破譯的可能，量子密碼的出現(xiàn)也因此被視為“絕對安全”的回歸。世界各國紛紛將其納入國防科技發(fā)展戰(zhàn)略之中。如美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室就在研究量子局域網的密碼體系和自由空間量子密碼。此外，英國國防部及歐盟各國也啟動了類似的量子密碼研究計劃。

量子通信：“超光速”聯(lián)通一體化戰(zhàn)場神經網絡

這個世界上真的存在“超時空隧道”嗎?對此，科學家給出的答案是，伴隨著量子信息科技的持續(xù)發(fā)展，未來這一幻想不是沒有實現(xiàn)的可能。當然，這一說法今天看來依然不無夸張，但其所謂的與“量子糾纏”密切關聯(lián)的“量子態(tài)隱形傳輸”則正在變?yōu)楝F(xiàn)實。

通俗而言，兩個相距遙遠的陌生人不約而同地想做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著他們，這種神奇現(xiàn)象可謂“心靈感應”。與此類似，所謂量子糾纏，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應變化。量子通信正是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。此種通信技術若能得以實現(xiàn)，其影響將是劃時代的。

在時空方面，由于量子通信屬于超光速通信，不僅是“最快的通信”，而且有穿越大氣層的可能，從而為基于衛(wèi)星量子中繼的全球化通信網奠定了可靠基礎。日前，德國物理學家就正在利用量子糾纏效應打造量子互聯(lián)網，其研究人員稱：“我們已經實現(xiàn)了第一個量子網絡原型，在節(jié)點之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個節(jié)點之間產生遠程糾纏，并保持約100微秒……未來人們通過它不僅可以進行遠距離的量子信息溝通，而且還將使大型量子互聯(lián)網完全實現(xiàn)成為可能。”

顯然，這一量子通信技術在軍事應用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺以及量子微空間武器系統(tǒng)之中，構建出量子信息化戰(zhàn)場的通信網絡，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。亦正因此，近年來，美國國防高級研究計劃署啟動了多項量子通信方面的相關研究計劃。英國、德國、日本等國也都將量子通信技術納入議程，對其開展了廣泛的探索。

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