一片“藍海”：量子計算機的燦爛前景

文 韓 雪 姚建興 王微粒

藍海，原意是指未知的市場空間，引申為科學的新興領域。量子計算機，就是一片神秘的“藍海”。

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

據報道，2021年5月，中國科學技術大學成功研制出62比特量子計算原型機“祖沖之號”，宣告全球最大量子比特數的超導量子體系誕生。在此之前，該團隊研制的“九章”光量子計算原型機，比現有最強的超級計算機運算速度快100億倍。

由于量子計算機的強大算力和對國家安全、社會經濟的巨大作用，量子計算機成為各國爭相研究的重大課題。

“遇事不決，量子力學”

量子，最小的不可分割的基本物理單位。

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

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

說它神秘，是因為它有違常理。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，就會顯現出它的“不靠譜”：一個量子在某一瞬間可能在這里，也可能在那里，完全隨機，“不按常理出牌”。

1935年，奧地利物理學家薛定諤提出了一個著名的思想實驗：把一只貓關在一個盒子里，盒子里有毒氣瓶，瓶上有一個錘子，錘子由一個放射性原子的電子開關控制。如果原子核衰變，則觸動電子開關，釋放毒氣，貓必死無疑。根據日常經驗，貓或者死或者活，只有這兩種狀態。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中，處在既生又死的狀態。

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

事實上，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微小粒子所牽動：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，科學家們有的嘲諷、有的懷疑，有的篤定。物理學家理查德·費曼曾感慨：“誰要是說他理解了量子力學，那就表明他還沒理解。”但無論人們理解、支持與否，科學就是科學，量子還是量子。

光量子干涉實物圖（圖片來自中國科技大學官網）

在科學面前，人類是渺小的。哪怕再智慧的頭腦，也會有困惑。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。又或者，這個問題，只能交給量子力學來回答。畢竟，“遇事不決，量子力學”。

“路轉溪橋忽見”

智者總能在時代浪潮中立起駛向未來的桅桿。

“人類應該考慮量子計算機了！”1982年，美國加州理工學院的一場報告會上，物理學家費曼提出了這一簡直是“天方夜譚”的論斷。當時，個人電腦的概念才剛剛問世，普及大眾還要再等10年。

然而，隨著計算機元器件越做越小、集成度越來越高、速度越來越快，人們在經歷最佳算力的狂歡之后，才最終發現：當初的“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，傳統計算機的速度提升之路將會走到盡頭。

是時候走上30多年前費曼指出的那條路了。

宛如一程崎嶇的山路，當經典物理看似走到盡頭時，是量子理論在轉彎處將人們引上現代物理學的大道。同樣，當傳統計算機遭遇算力“天花板”時，又是量子計算機讓人們“路轉溪橋忽見”。

如果說經典計算機是“蠟燭”，量子計算機就是“電燈”，二者都是為了發光，但點亮方式完全不同，照亮范圍也有區別。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，就發出了遠超“蠟燭”的光芒。

2019年9月，科研人員在量子計算機上運行隨機量子線路采樣任務，并與模擬超級計算機的計算進行對比，最終得出結論：量子計算機用時200秒完成的計算，如果用當時最強大的超級計算機計算，則需花費上萬年才能完成。

碾壓的奧秘何在？如果我們讓傳統計算機走迷宮，它會沿著一條路一直走；如果不對，再折返回來嘗試下一條，直到找到正確通路。可對于量子計算機而言，它只需走一次。因為量子疊加態的特性，量子計算機仿佛吹一根毫毛變出千萬個分身的“美猴王”，它們齊頭并進可一次搞定。

可以說，不是超強算力選擇了量子計算，而是量子計算在“襁褓”中就具有超強算力。

當然，量子計算機也有自己的“小脾氣”。它最大的問題，在于不夠穩定。經典計算機不管算出什么結果，都可馬上輸出。但量子計算機無論是計算過程還是計算結果，都處于疊加態，這些數據就像一只高度敏感的刺猬，稍有風吹草動，整個量子疊加態就會馬上坍縮，從而湮滅正確結果。

“星星之火，可以燎原”

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

如今，借助量子計算機，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、結構繁多的數據中心，挖掘規律、發現模式，從而找到復雜區域的最優解，找到某種材料的最穩定狀態。

今后，量子計算機在計算“可能、概率、隨機”等問題時的超強算力，很有可能解決科學家在材料、制藥、數學等領域的長期難題。可以預見，在個人訂制藥物、應對氣候變化、消除交通擁堵、打造更安全的密碼體系、設計新材料，甚至是尋找“另一個地球”等方面，量子計算機將成為人類最有力的幫手。

但理想越豐滿，現實越“骨感”。量子計算機的研發，并非一路坦途。

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

同時，為了讓量子比特保持量子特性，量子計算機需要用強力冷卻裝置保持絕對零度（-273℃）才能正常工作。這就使得它的造價格外昂貴。據報道，美國研發和建造一臺量子計算機的前期費用，就已達100億美元。

而且，要想研發出通用型量子計算機，起碼要上千萬個量子比特。就專用量子計算機“九章”而言，僅僅有76個量子比特。人類目前的科技水平，研發通用機還有很長的路要走。

量子計算機，這位人類的新朋友，充其量只能算作浩渺宇宙中的“幾點星火”，雖有光亮，但很微弱。然而，我們堅信“星星之火，可以燎原”——通過對量子計算機的深入研究與探索，必然點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。

量子計算機如同人類頭頂那片璀璨的“藍海”。“藍海”很美，但通往“藍海”的前路注定艱難；“藍海”很遠，但通往“藍海”的航程已經開啟。