通向無限的量子之路

馬迪

量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)正齊頭并進，超導(dǎo)體、光量子、離子阱、中性原子等研究方向“百花齊放”，最終“花落誰家”仍是未知數(shù)。

在科幻電影《流浪地球》的故事設(shè)定中，量子計算機扮演了極為重要的角色，尤其是550系列：550C是“自感知、自適應(yīng)、自組織、可重塑編譯計算核心，在與硬件連接以后可以實時生成底層操作系統(tǒng)”。這意味著它對任何硬件都即插即用、完全控制；550W擁有更強的算力，可以同時控制全球數(shù)萬座發(fā)動機的建設(shè)和運營，還產(chǎn)生了自我意識，給自己命名為MOSS，同時擔(dān)負(fù)著毀滅人類和拯救人類這兩大使命，成為電影中的最大BOSS。

如此“神通廣大”的量子計算機，在現(xiàn)實生活中到底存不存在？

“遇事不決，量子力學(xué)?！边@個廣為流傳的梗，道出了量子力學(xué)在群眾心中的深奧莫測。雖然這門學(xué)科確實無法用幾句話解釋清楚，但從20世紀(jì)初創(chuàng)立以來，它已經(jīng)切實改變了人類看待世界的角度。

量子計算的歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代。1982年，美國理論物理學(xué)家、諾貝爾獎得主理查德·費曼在一篇論文中提出了量子計算的設(shè)想，認(rèn)為量子計算可以比傳統(tǒng)的計算機更快地解決復(fù)雜的問題。1994年，美國貝爾實驗室的科學(xué)家彼得·休爾公開了他的量子算法如何快速分解大數(shù)的質(zhì)因數(shù)—分解一個1000位的數(shù)字，傳統(tǒng)計算機大約需要耗費10京（1京=1萬萬兆）年的時間，而利用量子計算機的話，只需要20分鐘左右。

為什么量子計算機這么強？傳統(tǒng)計算機采用經(jīng)典的二進制編碼，每個比特只有一種狀態(tài)，要么是0要么是1，而量子計算機的基本信息單位是量子比特，在同一時刻可以表達0或者1，這就是獨特的量子疊加現(xiàn)象。N個量子比特會呈現(xiàn)2n種可能的狀態(tài)，并且隨著N的增大呈現(xiàn)出指數(shù)量級的增長?？茖W(xué)家估計，當(dāng)N≥50時，量子計算機就會超越現(xiàn)有計算機的算力極限。

另一方面，量子疊加態(tài)也使得量子比特有著超高的存儲能力?，F(xiàn)有的存儲器中，一個存儲單元只存儲一個比特，容量就是存儲單元的數(shù)量之和。而量子存儲器由于有量子疊加的特點，一個存儲單元可以一次性存儲1個量子比特的N種狀態(tài)。假設(shè)有一個100量子比特的寄存器，理論上它的容量相當(dāng)于1.26×1021 TB，遠大于地球上所有電子存儲容量之和。

量子糾纏是另一個奇妙的量子力學(xué)現(xiàn)象。糾纏的量子比特總是相互關(guān)聯(lián)，即使它們相距無限遠，我們也可以通過測量其中一個量子比特的狀態(tài)，知道另一個量子比特的狀態(tài)，而不需要直接測量。量子糾纏也可以用來實現(xiàn)量子傳輸，用來在量子計算機的不同部分之間實時傳輸信息。

量子計算機給予人類未來的想象空間是如此之大，近年來各國間的“量子霸權(quán)競賽”如火如荼。2011年起，加拿大、美國先后推出了自研的量子計算機初代產(chǎn)品，中國是世界第三個具備量子計算機交付能力的國家。2023年2月，中國第一家量子計算公司本源量子實驗室開放參觀，僅限30人，且全程不允許拍攝，至今人們?nèi)圆恢肋@些幸運兒看到了什么。

在這一片遠大光明的前景中，實際上，量子計算機的硬件設(shè)備仍然處于發(fā)展初期。

穩(wěn)定性是量子計算機當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)。疊加、糾纏這樣的量子態(tài)非常微妙，很容易受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生變化，這意味著量子計算機必須在極好的控制條件下運行，比如極低的溫度、極有限的空間，以保護它們免受任何環(huán)境“噪音”的影響。量子態(tài)的脆弱性意味著量子計算機還不能準(zhǔn)確地產(chǎn)生大型計算鏈。

另一個問題是通用性。計算機有專用計算機與通用計算機之分，目前所謂的量子計算，幾乎都是建立在特定任務(wù)的專用計算基礎(chǔ)上的。在特定任務(wù)上，量子計算確實展現(xiàn)了優(yōu)勢，但在絕大多數(shù)任務(wù)上仍然比不上普通計算機。目前已經(jīng)制成的量子計算原型機，還稱不上具有實用價值。

今天，量子計算機研究的意義仍然局限于驗證量子計算的可行性—要知道，從可行性驗證到試驗機、量產(chǎn)機，再到走向商業(yè)化，其間需要經(jīng)歷漫長時間與無數(shù)難以想象的挑戰(zhàn)。目前量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)正齊頭并進，超導(dǎo)體、光量子、離子阱、中性原子等研究方向“百花齊放”，最終“花落誰家”仍是未知數(shù)。