## 量子计算正处于成败关头

基于量子物理的计算机会真正改变世界吗？

IBM量子系统二号——一台模块化量子计算机，摄于IBM托马斯J沃森研究中心（位于纽约州约克敦高地）。安吉拉魏斯法新社盖蒂图片社

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本文是关于量子计算未来的系列内容之一。了解这些机器最具前景的应用，以及查看量子比特的图解指南。

在旧金山湾东南边缘附近的办公园区里，一栋低矮建筑内摆放着一簇沐浴在蓝光中的白色储罐。储罐内部是蚀刻在芯片上的超导电路组，它们都由金色枝形吊灯状结构固定，并通过液氦和液氮冷却。超导芯片在隔壁的洁净室制造，那里身着白色工作服的人员操作着房间大小的机器、通风橱和酸浴设备。这个设施——芯片、储罐、洁净室以及建筑后方大量的液氮储备——都在为实现一个梦想服务：量子计算机。

这个地点是量子计算公司RigettiComputing在加州的主要制造工厂；每个制冷罐都装有Rigetti的一款顶级量子处理单元。专家们希望，有朝一日量子计算机能够在某些类型的计算上比我们身边的经典计算机快几个数量级。Rigetti首席执行官SubodhKulkarni告诉我：我们说的是速度快一百万或十亿倍，而能耗却只占极小的一部分。这就是量子计算的美妙之处。我们有可能解决如今无法解决的问题。

Rigetti只是数十家希望把握这些机遇的机构之一。过去20年间，像Rigetti这样的初创企业以及IBM、谷歌等行业巨头都在量子计算领域投入了大量资金——仅风险投资方面就有12亿美元的投入。量子计算是全球高校和ZF实验室的重要研究课题。所有人都在追逐这个梦想，但梦想的具体细节因人而异。风险投资家及其他硅谷造势者声称量子计算将为人工智能赋能，反之亦然，但专家们对这些说法并不信服。Kulkarni等人认为量子计算机将彻底改变药物研发、天气预报和金融行业。各国ZF看重其破解迄今为止无法破解的密码的潜在能力。

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量子计算是基于量子力学原理的新型计算方式，它利用量子比特的叠加态和纠缠效应，能同时处理海量信息。相比传统计算机的二进制比特（仅0或1），量子比特可处于0和1的叠加态，借助纠缠还能让多个量子比特关联，从而在密码破解、药物分子模拟等复杂任务上展现远超经典计算机的潜力，是当前科技领域的前沿研究方向之一。

但这些预测都不是确定的。量子计算正处于成败攸关的时刻：科学家们希望未来几十年内能够将当今的量子系统扩展到足以取得真正突破的规模，并最终在有用的任务上击败经典机器。如果他们能做到这一点，量子计算机可能会以各种方式改变世界。但仍有许多障碍挡在前面，在量子计算机克服这些障碍之前，我们无法知道它们真正的能力。

到底什么是量子计算机？人们很容易说它是基于量子物理原理运行的计算机。但这并不够——量子物理支配着所有物质的行为，所以按照这个定义，所有计算机都会是量子计算机。同样，说量子计算机是在运行中利用量子现象的计算机也不够。如今几乎所有计算机都依靠硅晶体管运行，而我们只能通过量子物理来理解其工作原理。

要真正回答是什么让量子计算机具有量子特性——以及它们为何如此难以建造——我们需要谈谈薛定谔的猫。在量子力学创始人之一埃尔温薛定谔于20世纪30年代提出的原始思想实验中，这只著名的猫被密封在一个盒子里，里面有一块放射性金属、一瓶毒药，以及一个装置——如果检测到金属发出的任何辐射，这个装置就会打碎药瓶，杀死猫。量子物理学指出，如果让盒子密封一段时间，这块金属有50%的概率会释放出一些放射性物质。但关键的是，在有人测量辐射之前，这块金属处于叠加态：一种既释放了辐射又没有释放辐射的状态。这意味着毒药瓶也会处于既被打碎又完好无损的叠加态。

因此，这只猫会处于死与活的均等叠加态，直到你打开盒子看看结果如何。（在量子物理学中，什么构成测量是一个单独且棘手的问题，包括我在内的许多人都就此写过整本书。）

在华盛顿特区举行的NvidiaGPU技术大会上展示的Rigetti量子计算机使用超导量子比特。KentNishimura彭博社盖蒂图片社

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现在想象一下，你稍微早一点打开了盒子，也许是出于对这只可怜生物的担忧。在这种情况下，在你打开盒子之前的那一刻，猫仍然处于死和活的叠加态，但叠加态中活的成分比死的成分更多。通过等待合适的时间，你可以让猫处于任何你想要的叠加态，其中活和死的比例可以是任意的。

像这样的可调谐叠加态正是量子计算机具有量子特性的原因。传统计算机使用晶体管进行计算，其使用的比特只能处于两种状态之一：0或1。量子计算机使用量子比特（或称qubits），它们拥有更多可用选项。就像薛定谔的猫一样，量子比特可以处于0和1的任意叠加态。

量子比特与这只不幸的猫还有一个共同点。当它被困在盒子里时，薛定谔的猫会与盒子里的其他东西纠缠在一起，这意味着它的量子态会与那块金属、探测器装置以及毒药的量子态相互关联。同样，量子计算机必须让其量子比特相互纠缠才能用它们进行计算。但猫与盒子里其他所有东西之间的纠缠是不受控制的，而量子计算机必须严格控制其量子比特之间的纠缠：哪些量子比特纠缠、纠缠程度如何以及以何种方式纠缠。

这种可控纠缠的量子比特组合，使得量子计算机能够完成传统计算机无法做到的事情——至少在理论上是如此。对于足够强大的量子计算机而言，最受推崇的能力之一是通过一种名为肖尔算法的技术，比传统计算机更快地计算出极大数字的因数。该算法由麻省理工学院的理论计算机科学家彼得肖尔发明。

更快这个说法其实有点保守：理论上，利用肖尔算法，量子计算机可以在几天内分解一个非量子超级计算机需要数百万年才能分解的数字。这种惊人的快速算法听起来可能像是一种小众应用，但传统计算机分解大数字极其耗时这一事实，是大多数现代加密技术的基础，尤其是网络上使用的加密类型。那么，量子计算机不仅是一个优秀的密码破解者——它还有可能破解支撑整个互联网的加密技术。毫不意外，开发量子计算机已成为全球各国ZF安全机构的优先事项。

量子计算机还可能利用其对自身量子比特的出色控制，以前所未有的水平模拟自然，对原子和分子的相互作用进行建模，其细节是缺乏自然量子特性的普通计算机根本无法比拟的。这些能力可能在基础物理和化学领域带来突破，也可能在材料科学、药物研发及其他领域的应用研究中带来突破。还有些人（如库尔卡尼）认为，量子计算机也可能比经典机器更好地解决一些更常见的问题，例如模拟金融市场和地球气候。

然而，这里有个问题。薛定谔的猫没有特意做什么就与盒子里的其他东西纠缠在了一起——任何有相互作用的物体之间都会自然产生纠缠。此刻，你正与周围的空气、你坐着或站着的表面，以及你阅读这些文字的屏幕或杂志产生某种程度的纠缠。这种在量子系统与其环境之间自然产生的纠缠被称为退相干。

退相干对量子计算机的计算能力是致命的。为了让量子处理器保持对其量子比特及其纠缠状态至关重要的控制，它在工作时必须与外界隔离。它还必须对自身量子比特所有原子组件之间的物理相互作用保持高度控制。即使在极短的时间内做到这一点也并非易事。防止量子计算机组件之间的不必要相互作用，是当今相对小型的量子计算机与科学家和工程师希望开发的更大、更强大的量子计算机之间的主要障碍之一。研究人员采用的主要策略之一是让量子计算机保持极低的温度，因为热量——原子的随机运动——会产生非预期的纠缠。

庄子2.0是一台二维超导量子计算机，其计算使用78个量子比特。该处理器由科学院物理研究所研制。新华社阿拉米

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这个挑战与量子计算领域最大的未解决问题紧密相关：要执行计算，量子计算机必须能将其量子比特置于特定的初始量子态，再通过一系列量子逻辑门控制它们的纠缠，同时保持它们与环境的完美隔离，防止它们以非预期方式相互作用或与量子计算机的其他组件发生作用。量子计算机首次被提出后的很长一段时间里，一些专家对其能否被制造出来持怀疑态度。（仍有少数研究人员认为无法制造出具有实用价值的大型量子计算机。）但近年来，科学家们已开发出可运行的量子计算机，尽管它们相对较小，量子比特数量不超过几百个左右。这些机器过于简单，除小型示例问题外，无法完成有趣的计算任务，比如肖尔算法的高级应用或量子模拟。将它们扩展到更实用的规模意味着要在最佳方法上做出抉择。

量子比特可以由多种不同材料制成[参见《量子比特实用指南》]。研究人员已经设计出几种可能的架构，但对于最佳方案尚未达成共识。实现量子比特的方法有很多，每个人都认为自己的方法是最好的，马里兰大学联合量子研究所的物理学家阿莱娜格林说。

两种主要的量子比特方案是超导电路和被俘获的原子或离子。前者是由铝或钽等超导材料制成的微型电子电路，这些材料在超低温下没有电阻。它们的优势在于，我们可以利用现有计算机芯片制造技术的变体来构建它们，而且它们运行速度快。超导量子比特的缺点是，每个芯片由数十亿万亿个原子组成，即使在绝对零度以上百分之一度的温度下，周围有这么多原子意味着芯片会在几十微秒内退相干。

另一种常用策略是用单个原子构建量子比特。这种方案在超导量子比特的不足之处表现出色：当仅涉及单个原子时，更易防止其退相干。被俘获的原子或离子量子比特一次可保持相干性达数毫秒。但单个原子的操作速度较慢（且工程师无法利用传统计算机芯片制造技术）。结果是，就目前技术而言，这两种量子比特在退相干前都能执行大致相同数量的计算。尽管当前最强大的量子计算机采用超导量子比特，但原子和离子方案也并不落后太多。

德国斯图加特的科技公司Q.ANT里，一名工程师手持带有光子芯片的量子处理器。托马斯金策尔法新社盖蒂图片社

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但最终，为了实现其潜力，量子计算机需要找到方法，至少在一定程度上提高对控制失误的容忍度。由于退相干和其他不必要的量子效应，误差不可避免地会渗入量子计算中。虽然无法完全阻止退相干，但可以通过利用理论量子计算中另一项著名成果——量子纠错——来补偿量子计算机内的一些误差。值得注意的是，这个过程在某些情况下能够检测并纠正量子比特状态中的不必要误差，而不会完全破坏其叠加态或与其他量子比特的纠缠——这类似于在不完全打开盒子的情况下改变薛定谔猫的生死混合状态。

这类量子纠错码的存在，使得实现量子比特所需的高可靠性变得更加可行，而这种可靠性是执行肖尔算法和其他复杂量子计算任务所必需的。但这种帮助是有代价的。量子纠错的工作原理是将一组组物理量子比特组合成逻辑量子比特，通过用多个实际物理量子比特来表示每个逻辑量子比特，从而在逻辑量子比特中构建一种量子冗余，这样单个物理量子比特的错误影响就会减小。为了让纠错效果良好，每个逻辑量子比特必须由大量物理量子比特组成——大约100到1000个。而要在任何有意义的问题上运行肖尔算法，或者在几乎所有其他有用的应用中运行，量子计算机必须拥有数千个逻辑量子比特。因此，要让量子计算机发挥其预期的潜力，当前拥有数百个物理量子比特的系统必须扩展到数百万个物理量子比特，且这些量子比特之间的纠缠能够得到精细控制。

不过，一些研究突破让部分研究人员看到了希望——量子纠错或许可以用显著更少的物理量子比特实现。在一项研究中，加州理工学院和量子计算初创公司Oratomic的研究人员提出了一种量子纠错方法，每个逻辑量子比特仅需约5个物理量子比特，将实现肖尔算法的阈值降至约10000个量子比特。这项研究尚未经过同行评审，但如果结果成立，那么建造一台能运行肖尔算法的量子计算机可能会比预期更早实现。

不过，即便如此，该领域面临的核心问题依然存在：量子计算机需要多久才能扩展到实用的程度？尽管传统计算机在过去数十年里根据摩尔定律迅速提升了性能——这一预测以英特尔联合创始人戈登摩尔命名，指芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番——但无法保证量子计算机会遵循同样的指数增长趋势。摩尔定律并非真正的自然法则，而退相干的必然性却是。

所有对肖尔算法的关注不仅仅关乎密码学和国家安全。这个著名的算法是科学家们确信能让量子计算机比传统计算机更快完成某些任务的唯一算法。人们长期以来一直在寻找类似（肖尔算法）的其他算法，但还没有找到任何一种，格林说。真的，一个都没有。设计量子算法很难。证明这些算法比现有的非量子算法显著更优也很困难，而证明它们比任何可想象的非量子算法都更优通常极其困难，即便不是不可能的话。

MosaiQ是法国Quandela公司开发的光子量子计算机。SameerAlDoumy法新社盖蒂图片社

萨米尔阿勒杜米法新社盖蒂图片社

科学家们对利用量子计算机模拟自然界的量子特性最为乐观。量子计算机最初被提出的原因，就是人们认为可以用它们来模拟量子系统，加州大学伯克利分校的量子计算机科学家尤因唐表示。但即使是这种量子模拟，量子计算机也可能无法击败经典计算机。目前还没有太多非常具体的计划，说明如何利用能提供可证明的量子优势的量子计算机，唐说。格林对此表示赞同。遗憾的是，要明确证明量子模拟肯定能比经典计算更优，这很难做出可验证的陈述，她说，但我们认为这应该是成立的。

即使量子计算机确实更擅长模拟某些量子系统（这看起来相当有可能），即使科学家能设计出更多像肖尔算法那样、相比已知经典算法具有明显且巨大优势的算法，量子计算机在大多数任务上仍然无法击败传统计算机。认为量子计算机能在所有事情上都比经典计算机更快——这种想法完全不正确，麻省理工学院电气工程、计算机科学与物理学教授威廉奥利弗表示，他曾联合创立一家量子计算初创公司，该公司后来被谷歌收购。就我们目前所知，只有某些具有特定内部结构的问题，才能让量子计算机发挥其量子特性的优势。

在量子计算机的最佳应用场景中，它们将是用于解决特定类型挑战的专用设备。它们很可能会与传统计算机一起部署在数据中心或超级计算集群中——但不会被小型化到我们的手机里。量子计算所擅长的领域，恰恰不是人们日常需要处理的事务，格林表示。未来，你药柜里的处方药或许是通过量子计算机运行的模型研发出来的，但你几乎肯定不会拥有属于自己的量子计算机。

然而该领域仍存在的不确定性并未阻止商业界对量子计算进行经济预测。某咨询机构曾预测，量子计算机在未来一段时间内将创造4500亿至8500亿美元的价值。短期内量子计算面临的障碍……不会威胁到该技术或市场的长期发展，相关人士称。但该机构也表示，其此前基于量子硬件和软件改进对价值创造的预测过于乐观。

这种对量子计算发展方向的自信预测很难让人当真，正是因为尽管该领域至今已有诸多进展，但它仍然很新，充满了未知。奥利弗说：量子计算是真实存在的，它正在发展，而且需要时间。这需要工程技术，也还有科学研究要做。一切尚未完全就绪。他估计我们可能在大约20年后拥有更大规模的量子计算机。无论这个时间框架是多久，我们都将用它们从科学的角度更好地理解我们周围的世界。

当我问格林她预计何时能出现性能优良的量子计算机时，她给出了一个直率的回答：我不知道，也不愿做出预测，而且如果你能找到任何一位愿意预测的物理学家，我会非常惊讶。不过，无论这一天何时到来，她都对那个未来充满期待。有一类问题……我们用经典计算机永远没有机会解决，她说，对我而言，量子计算最有前景的应用就是有可能解决这些问题。

现实是，我们根本不知道量子计算机会带来什么变化。我们所知道的是，这个领域令人兴奋，它面临的科学挑战也很有趣——而任何声称确切知道未来会怎样的人，很可能是在向你推销什么东西。

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量子计算是基于量子力学原理的新型计算方式，它利用量子比特的叠加态与纠缠效应，能同时处理海量信息。相比传统计算机，它在大数分解、量子模拟等复杂问题上效率远超经典计算机，目前处于研究与应用探索阶段，有望在药物研发、材料设计等领域带来革命性突破。

BY: Adam Becker

FY: AI

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