一片“藍(lán)海”：量子計(jì)算機(jī)的燦爛前景

文 韓 雪 姚建興 王微粒

藍(lán)海，原意是指未知的市場空間，引申為科學(xué)的新興領(lǐng)域。量子計(jì)算機(jī)，就是一片神秘的“藍(lán)海”。

它是籠罩在經(jīng)典物理學(xué)天空上的一朵烏云，卻催開了現(xiàn)代物理學(xué)的暢想之花；它是物理學(xué)概念中的最小單位，卻成就了迄今為止世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)；它看不見、摸不著，甚至還有些不可理喻，卻吸引了無數(shù)科學(xué)家為之癡迷。

據(jù)報(bào)道，2021年5月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功研制出62比特量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，宣告全球最大量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子體系誕生。在此之前，該團(tuán)隊(duì)研制的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)，比現(xiàn)有最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快100億倍。

由于量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力和對國家安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的巨大作用，量子計(jì)算機(jī)成為各國爭相研究的重大課題。

“遇事不決，量子力學(xué)”

量子，最小的不可分割的基本物理單位。

在大多數(shù)人眼里，量子就是神秘、玄妙的代名詞——“遇事不決，量子力學(xué)；解釋不通，穿越時(shí)空。”在人們的日常生活中，當(dāng)遇到那些無法用常理解釋的事情時(shí)，常常會(huì)“甩鍋”給量子力學(xué)。

量子，人類對未知力量想象力的“天花板”。在人類所能認(rèn)識到的宇宙規(guī)律里，它似乎已成為神秘且萬能的代名詞。

說它神秘，是因?yàn)樗羞`常理。在人們的理解中，不管什么物體，在哪里、跑多快，都是確定的、能觀測出來的。但在量子的微觀世界里，就會(huì)顯現(xiàn)出它的“不靠譜”：一個(gè)量子在某一瞬間可能在這里，也可能在那里，完全隨機(jī)，“不按常理出牌”。

1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)：把一只貓關(guān)在一個(gè)盒子里，盒子里有毒氣瓶，瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)放射性原子的電子開關(guān)控制。如果原子核衰變，則觸動(dòng)電子開關(guān)，釋放毒氣，貓必死無疑。根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，貓或者死或者活，只有這兩種狀態(tài)。可是，如果用薛定諤方程描述，只要不揭開蓋子，這只貓就一直沉睡在量子的疊加態(tài)中，處在既生又死的狀態(tài)。

在量子面前，世界再也不是那個(gè)確定的、客觀的、實(shí)在的熟悉世界，只有去觀測量子，它才會(huì)從隨機(jī)狀態(tài)坍縮成某種固定狀態(tài)。這種微觀的不確定原理，徹底顛覆了人們的邏輯感知。

事實(shí)上，人類對量子的研究，就是在這樣的迷惑和不解中走過。100多年里，人類最智慧的頭腦都被這個(gè)微小粒子所牽動(dòng)：普朗克、波爾、愛因斯坦、海森堡、薛定諤、波恩、泡利、狄拉克……對于量子，科學(xué)家們有的嘲諷、有的懷疑，有的篤定。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾感慨：“誰要是說他理解了量子力學(xué)，那就表明他還沒理解。”但無論人們理解、支持與否，科學(xué)就是科學(xué)，量子還是量子。

光量子干涉實(shí)物圖（圖片來自中國科技大學(xué)官網(wǎng)）

在科學(xué)面前，人類是渺小的。哪怕再智慧的頭腦，也會(huì)有困惑。對于量子，愛因斯坦曾拋出世人皆知的那句話：“上帝是不擲骰子的。”波爾卻反擊道：“你沒法告訴上帝該做什么。”

那么“上帝”到底該做什么？或許，他也正處在“擲與不擲骰子”的疊加態(tài)。又或者，這個(gè)問題，只能交給量子力學(xué)來回答。畢竟，“遇事不決，量子力學(xué)”。

“路轉(zhuǎn)溪橋忽見”

智者總能在時(shí)代浪潮中立起駛向未來的桅桿。

“人類應(yīng)該考慮量子計(jì)算機(jī)了！”1982年，美國加州理工學(xué)院的一場報(bào)告會(huì)上，物理學(xué)家費(fèi)曼提出了這一簡直是“天方夜譚”的論斷。當(dāng)時(shí)，個(gè)人電腦的概念才剛剛問世，普及大眾還要再等10年。

然而，隨著計(jì)算機(jī)元器件越做越小、集成度越來越高、速度越來越快，人們在經(jīng)歷最佳算力的狂歡之后，才最終發(fā)現(xiàn)：當(dāng)初的“天方夜譚”是對的——萬物總有極限，元件的大小不可能一小再小。也許到2025年，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度提升之路將會(huì)走到盡頭。

是時(shí)候走上30多年前費(fèi)曼指出的那條路了。

宛如一程崎嶇的山路，當(dāng)經(jīng)典物理看似走到盡頭時(shí)，是量子理論在轉(zhuǎn)彎處將人們引上現(xiàn)代物理學(xué)的大道。同樣，當(dāng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遭遇算力“天花板”時(shí)，又是量子計(jì)算機(jī)讓人們“路轉(zhuǎn)溪橋忽見”。

如果說經(jīng)典計(jì)算機(jī)是“蠟燭”，量子計(jì)算機(jī)就是“電燈”，二者都是為了發(fā)光，但點(diǎn)亮方式完全不同，照亮范圍也有區(qū)別。即使你不斷地改良蠟燭，也不可能成為電燈。而這只“電燈”剛一問世，就發(fā)出了遠(yuǎn)超“蠟燭”的光芒。

2019年9月，科研人員在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行隨機(jī)量子線路采樣任務(wù)，并與模擬超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算進(jìn)行對比，最終得出結(jié)論：量子計(jì)算機(jī)用時(shí)200秒完成的計(jì)算，如果用當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)計(jì)算，則需花費(fèi)上萬年才能完成。

碾壓的奧秘何在？如果我們讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)走迷宮，它會(huì)沿著一條路一直走；如果不對，再折返回來嘗試下一條，直到找到正確通路。可對于量子計(jì)算機(jī)而言，它只需走一次。因?yàn)榱孔盈B加態(tài)的特性，量子計(jì)算機(jī)仿佛吹一根毫毛變出千萬個(gè)分身的“美猴王”，它們齊頭并進(jìn)可一次搞定。

可以說，不是超強(qiáng)算力選擇了量子計(jì)算，而是量子計(jì)算在“襁褓”中就具有超強(qiáng)算力。

當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)也有自己的“小脾氣”。它最大的問題，在于不夠穩(wěn)定。經(jīng)典計(jì)算機(jī)不管算出什么結(jié)果，都可馬上輸出。但量子計(jì)算機(jī)無論是計(jì)算過程還是計(jì)算結(jié)果，都處于疊加態(tài)，這些數(shù)據(jù)就像一只高度敏感的刺猬，稍有風(fēng)吹草動(dòng)，整個(gè)量子疊加態(tài)就會(huì)馬上坍縮，從而湮滅正確結(jié)果。

“星星之火，可以燎原”

我們可以這樣理解，量子計(jì)算這一技術(shù)本身，也處于量子疊加態(tài)：既取得了階段性重大突破，又剛剛拉開序幕。

如今，借助量子計(jì)算機(jī)，人類可以模擬一些蛋白分子折疊情況，幫助治療阿爾茨海默癥、帕金森綜合征等，還可從體量巨大、結(jié)構(gòu)繁多的數(shù)據(jù)中心，挖掘規(guī)律、發(fā)現(xiàn)模式，從而找到復(fù)雜區(qū)域的最優(yōu)解，找到某種材料的最穩(wěn)定狀態(tài)。

今后，量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算“可能、概率、隨機(jī)”等問題時(shí)的超強(qiáng)算力，很有可能解決科學(xué)家在材料、制藥、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的長期難題。可以預(yù)見，在個(gè)人訂制藥物、應(yīng)對氣候變化、消除交通擁堵、打造更安全的密碼體系、設(shè)計(jì)新材料，甚至是尋找“另一個(gè)地球”等方面，量子計(jì)算機(jī)將成為人類最有力的幫手。

但理想越豐滿，現(xiàn)實(shí)越“骨感”。量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，并非一路坦途。

“九章”量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)師這樣形容它的操作難度：“我們需要50路光子同時(shí)通過20米的光層，每一路都要保持25納米的精度。這相當(dāng)于讓50匹馬一起跑過100公里，必須同時(shí)到達(dá)，且每匹馬的奔跑距離都不能超過一根頭發(fā)絲的誤差。”

同時(shí)，為了讓量子比特保持量子特性，量子計(jì)算機(jī)需要用強(qiáng)力冷卻裝置保持絕對零度（-273℃）才能正常工作。這就使得它的造價(jià)格外昂貴。據(jù)報(bào)道，美國研發(fā)和建造一臺量子計(jì)算機(jī)的前期費(fèi)用，就已達(dá)100億美元。

而且，要想研發(fā)出通用型量子計(jì)算機(jī)，起碼要上千萬個(gè)量子比特。就專用量子計(jì)算機(jī)“九章”而言，僅僅有76個(gè)量子比特。人類目前的科技水平，研發(fā)通用機(jī)還有很長的路要走。

量子計(jì)算機(jī)，這位人類的新朋友，充其量只能算作浩渺宇宙中的“幾點(diǎn)星火”，雖有光亮，但很微弱。然而，我們堅(jiān)信“星星之火，可以燎原”——通過對量子計(jì)算機(jī)的深入研究與探索，必然點(diǎn)燃人類通往未知世界的熊熊火炬，照亮其中隱藏的自然法則。

量子計(jì)算機(jī)如同人類頭頂那片璀璨的“藍(lán)海”。“藍(lán)海”很美，但通往“藍(lán)海”的前路注定艱難；“藍(lán)海”很遠(yuǎn)，但通往“藍(lán)海”的航程已經(jīng)開啟。