湘春伢子1
认识量子信息科学的潜能和推进高性能计算
張学松译
摘要：今天，政府发表了关于量子信息科学的挑战、机遇和前景的报告，和促进高性能量子计算机发展计划。
量子力学是描述物质和能量在单个原子和亚原子粒子状态下的行为和相互作用。我们凭直觉了解了大量粒子的集体效应，但量子的行为常常是奇特的、和我们的直觉相悖的。例如射线（包括可见光）的行为有时表现为不连续的粒子，有时表现为波，令人警讶的性质。这些量子现象包括态叠加（即一个系统同时有各种可能测量到的结果，只有当一个“测量”被进行的时候， 才会呈现一个被测量到状态，可能是它的任何一种本征态）和纠缠（即多个粒子在叠加状态下的相互影响）。利用这种性质处理信息--为传感、度量衡、航海、通讯、基础物理仿真（模拟）、新的计算模式和许多其它领域提供独特的、令人兴奋的机会。这些令人兴奋的前景，国家科学技术委员会总结在“推进量子信息科学：国家的挑战和机遇”（Advancing Quantum Information Science: National Challenges and Opportunities)。
今天发表的国家科学技术委员会的报告是跨部门合作的产物……略
作为上述报告的补充，能源部今天也发表了“适用于基础科学，量子信息科学和计算的量子传感器”（Quantum Sensors at the Intersections of Fundamental Science, Quantum Information Science, and Computing）。其它部门也采取行动关注量子信息科学，包括最近发表的美国国家科学基金会“关于量子信息科学连接点的元程序（National Science Foundation “metaprogram” on Connections in Quantum Information Science )。
除了与其它相关科学技术有密切联系外，量子信息科学还与“国家战略计算开发中心(NSCI) ”有重要的协同作用。NSCI 是根据美国总统行政命令于2015年7月29日创建，目的是保证美国在高性能计算机领域的领导地位并获取最大利益。
NSCI 一个重要的战略目标是在未来15年内为未来高性能计算系统建成可行的前进之路（path forward)。NSCI 通过两种方法达到此目的：限制现行的半导体技术，加速数字计算技术达到目的；一系列新的计算模式 --包括量子计算-- 解决传统的高性能计算不能解决的问题。上述两项技术都基于量子信息科学。懂得操纵量子效应对进一步缩小电荷控制互补金属氧化物半导体设备（charge-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices）体积是至关重要的，替代基于自旋的互补金属氧化物半导体数字计算和超导计算（spin-based CMOS or superconducting computing）。阐明未来量子计算机能解决问题的范围和遇到的许多实际挑战需要量子信息科学的基础应用研究和发展。
今天，科学技术政策局（OSTP）也发表了NSCI 执行委员会编写的“国家战略计算开发中心（NSCI）的战略计划”（the National Strategic Computing Initiative (NSCI) Strategic Plan, authored by the NSCI Executive Council）。明确 NSCI 需要一个完全成熟的高性能计算生态系统以满足政府、业界、学术界的需要。 这个战略计划主要集中在政府保证的一些领域里提高技术创新能力、夯实计算基础、提高人的劳动效力，以实行 NSCI 的预期。这个计划明确分配给联邦政府专业机构的任务，强调不间断地执行以实现 NSCI 的目标。政府行为和广泛的商业驱动相结合也是 NSCI 达到目标所必需的，但是开发的成功依靠联邦政府、业界、学术界在开发、商业化、配置高性能计算技术方面的深度合作。NSCI 努力建立和支持合作的生态系统，以利于在战略计算中有新的发现，成为21世纪经济发展的驱动器。这是不可能由现行的生产活动自动演变而来的。