通向無限的量子之路

馬迪

量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)正齊頭并進(jìn)，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(jì)算機(jī)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(jì)算核心，在與硬件連接以后可以實(shí)時(shí)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(qiáng)的算力，可以同時(shí)控制全球數(shù)萬座發(fā)動(dòng)機(jī)的建設(shè)和運(yùn)營，還產(chǎn)生了自我意識，給自己命名為MOSS，同時(shí)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(jì)算機(jī)，在現(xiàn)實(shí)生活中到底存不存在？

“遇事不決，量子力學(xué)。”這個(gè)廣為流傳的梗，道出了量子力學(xué)在群眾心中的深?yuàn)W莫測。雖然這門學(xué)科確實(shí)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(shí)改變了人類看待世界的角度。

量子計(jì)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(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼在一篇論文中提出了量子計(jì)算的設(shè)想，認(rèn)為量子計(jì)算可以比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)更快地解決復(fù)雜的問題。1994年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)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(gè)1000位的數(shù)字，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)大約需要耗費(fèi)10京（1京=1萬萬兆）年的時(shí)間，而利用量子計(jì)算機(jī)的話，只需要20分鐘左右。

為什么量子計(jì)算機(jī)這么強(qiáng)？傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用經(jīng)典的二進(jìn)制編碼，每個(gè)比特只有一種狀態(tài)，要么是0要么是1，而量子計(jì)算機(jī)的基本信息單位是量子比特，在同一時(shí)刻可以表達(dá)0或者1，這就是獨(dú)特的量子疊加現(xiàn)象。N個(gè)量子比特會(huì)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。科學(xué)家估計(jì)，當(dāng)N≥50時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)超越現(xiàn)有計(jì)算機(jī)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(chǔ)能力。現(xiàn)有的存儲(chǔ)器中，一個(gè)存儲(chǔ)單元只存儲(chǔ)一個(gè)比特，容量就是存儲(chǔ)單元的數(shù)量之和。而量子存儲(chǔ)器由于有量子疊加的特點(diǎn)，一個(gè)存儲(chǔ)單元可以一次性存儲(chǔ)1個(gè)量子比特的N種狀態(tài)。假設(shè)有一個(gè)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(yuǎn)大于地球上所有電子存儲(chǔ)容量之和。

量子糾纏是另一個(gè)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(yuǎn)，我們也可以通過測量其中一個(gè)量子比特的狀態(tài)，知道另一個(gè)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(shí)現(xiàn)量子傳輸，用來在量子計(jì)算機(jī)的不同部分之間實(shí)時(shí)傳輸信息。

量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)初代產(chǎn)品，中國是世界第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)交付能力的國家。2023年2月，中國第一家量子計(jì)算公司本源量子實(shí)驗(yàn)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(yùn)兒看到了什么。

在這一片遠(yuǎn)大光明的前景中，實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備仍然處于發(fā)展初期。

穩(wěn)定性是量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)必須在極好的控制條件下運(yùn)行，比如極低的溫度、極有限的空間，以保護(hù)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(jì)算機(jī)還不能準(zhǔn)確地產(chǎn)生大型計(jì)算鏈。

另一個(gè)問題是通用性。計(jì)算機(jī)有專用計(jì)算機(jī)與通用計(jì)算機(jī)之分，目前所謂的量子計(jì)算，幾乎都是建立在特定任務(wù)的專用計(jì)算基礎(chǔ)上的。在特定任務(wù)上，量子計(jì)算確實(shí)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(jì)算機(jī)。目前已經(jīng)制成的量子計(jì)算原型機(jī)，還稱不上具有實(shí)用價(jià)值。

今天，量子計(jì)算機(jī)研究的意義仍然局限于驗(yàn)證量子計(jì)算的可行性—要知道，從可行性驗(yàn)證到試驗(yàn)機(jī)、量產(chǎn)機(jī)，再到走向商業(yè)化，其間需要經(jīng)歷漫長時(shí)間與無數(shù)難以想象的挑戰(zhàn)。目前量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)正齊頭并進(jìn)，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)。