全尺寸量子計算機究竟有什么用？

隨著量子計算機技術走向成熟，這種機械未來將具備改變世界的能力。不過，我們現在完全有理由提出疑問：量子計算機究竟擅長處理哪些問題？這個問題的答案或許比這項技術本身更令人興奮。

編譯

量 子物理學的名聲談不上好。我們常常聽說，這個理論描述的原子、粒子行為相當怪異，而這種怪異特性又進一步催生了各種各樣深奧難解的概念，比如：我們生活在多重宇宙中，或者我們看到的現實根本不是真實的。于是，我們便經常忽略量子物理學對我們的生活產生的切實影響，比如：每當你查看智能手機的時候，其實都是在利用量子現象。

不過，量子理論的好處并不只有這個。隨著我們對量子現象的認識不斷深入，一系列旨在更直接利用量子現象的新技術有望對科學與社會產生巨大影響。雖然量子隱性傳態和量子傳感聽上去很是新奇、誘人，但最有變革潛力的量子技術你大概早有耳聞，那就是：量子計算。

按照媒體的炒作，量子計算機可以加速藥物研發，可以發現具有革命意義的新材料，甚至還有助于緩解氣候變化。然而，雖然量子計算技術已經發展了許多年頭，但其未來并不完全清晰。

首先，工程上的問題就比比皆是。

另外，我們在努力克服相關技術挑戰的過程中，經常忽略一點：量子計算的本質讓我們很難確切知曉這些機器的用途。雖然表面上媒體把量子計算吹得天花亂墜，但研究人員卻在不知名的角落里切切實實地面對現實問題：如果我們明天就能把夢寐以求的量子計算機造出來，那么我們究竟能夠用它做點什么？

就目前的情況來說，量子物理學的適用尺度主要在微小的量子世界，所以我們很容易忽略一個事實：量子技術其實在現代技術體系中無處不在。像基本粒子這樣無限小的物質會表現出量子效應，比如有時表現出類似波的行為，而這點在宏觀物體上是不存在的。舉例來說，橙子由許多原子構成，而原子是量子，但你顯然不能自欺欺人地認為橙子會像單個量子那樣變成波。不過，當涉及我們現在已經習以為常的許多小設備時，它們內部單個電子的量子特性就變得至關重要了。

量子糾纏

就拿晶體管來說，這些納米大小的半導體是我們控制微處理器內部電子流動的媒介，也是現代電子設備的基本組件。晶體管是怎么制造的？我們不斷改變硅的幾何形狀和組成，然后將其層層堆疊起來，并在其中加入其他元素的原子。如果你不知道電子有時會表現得像波—這是量子行為的基本特征一就壓根不可能用這種方式造出能正常工作的晶體管。

毫不夸張地說，看似深奧的量子物理理論已經徹底改變了我們的生活方式。沒有量子理論，就沒有光纖、沒有互聯網、沒有智能手機。不過，物理學家許久之前就開始猜測，如果能夠制造出不僅受益于量子效應，更是直接將量子效應作為主要資源的設備，那么量子技術可能還會催生其他技術變革。

例如，量子隱性傳態。這種技術的基礎是一種叫作“糾纏”的量子現象，處于糾纏狀態的兩個粒子互相關聯，不論其距離有多遠。目前，研究人員已經成功借助這種技術通過光纖電纜實現跨100千米的信息傳輸，通過衛星實現跨12900千米以上的信息傳輸。他們認為，這種技術完全可以成為量子互聯網（比現在的互聯網速度更快，同時也更安全）的基礎。

還有量子傳感技術。這種技術有望使各種測量的靈敏度提升幾個數量級，從而增強導航、地質勘探和醫學診斷等技術的能力。不過，問題依舊在于：這類量子技術是否能夠大范圍推廣開來，而不是只停留在小眾應用領域。另一方面，量子計算機可能會產生更為全面的影響，就像經典計算機對人類社會的改變那樣。

量子計算機的潛力基于其與經典計算機在工作方式上看似細微的差別。在經典計算機的處理器中，電子的關鍵作用是將信息編碼成一系列 ¹ 和0一也就是比特，可以解釋為打開或關閉電流。相比之下，在量子計算機中，粒子或原子本身的量子特性編碼了信息一它們不是協調、配合計算的舞臺工作人員，它們就是主角本身。

這就是為什么量子計算機可以同時處理比經典計算機多得多的信息。量子比特的編碼選擇遠比1和0兩種多得多。需要明確的是，一個量子比特不能同時編碼1和0，但它可以占據一個“量子態”—在被測量之前，它既是1和0，同時也不是1或0。聽上去很奇怪，對吧？沒錯，就是這么奇怪。實際上，理解量子理論對現實本質的真正意義本身就是一個懸而未決的難題。盡管理論如此奇怪，但現實是，正是這些量子態讓量子計算機的功能變得非常強大。10比特經典計算機可以存儲0到1023之間的任何一個數字；而10量子比特的量子計算機足以同時存儲0到

1023之間的所有數字。

因此，量子計算機的巨大應用前景就在于，當出現經典計算機耗盡資源也無法完成計算的場景，量子計算機卻可以做得很好。實際上，自20世紀80年代以來，研究人員就一直夢想掌握這種能力，并且為建造原型機付出了數十年的艱辛。

量子優越性

現在，他們的努力開始得到回報了。目前，性能最優秀的那些量子計算機—其中一些擁有1000 個量子比特，就在幾年前這個數字還只是區區50—完全可以解決全世界最強大的超級計算機都無法勝任的原理證明問題。研究人員稱這項壯舉為“量子優越性”。

于利希研究中心（德國國家研究機構之一，同時也是全歐洲最大的研究機構之一）的大衛·迪文琴佐（DavidDiVincenzo）說:：“在過去的5年里，我們已經在實驗室中取得了非凡進展。量子計算機的性能一直在進步。”差不多20年前，他提出了建造具有實用價值的量子計算機的7大條件—現在稱為“迪文琴佐標準”一當前，數以百計的研究人員正在競相檢驗這7大條件。

量子計算機進步的速度相當驚人。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的布萊恩·德馬科（Brian

DeMarco）說：“我們竟然在2025年就發展到了這種程度，這讓我又驚又喜。”然而，仍有一個巨大困難橫亙在我們面前：量子態本質上就是脆弱的。一個單獨存在的量子比特，即便僅僅受到最微小的環境干擾，也極容易丟失它的特殊量子性質。這意味著，量子計算機在執行計算時往往會積累大量小錯誤，直到最后所有輸出的結果都變得不可靠。因此，這場打造實用量子計算機的競賽在很大程度上就是在比拼誰的成果“容錯”率更高。同時，盡可能提高參與計算的量子比特的數量也很重要，因為量子計算機的計算能力顯然會隨著可靠量子比特的數量的上升而提高。

好消息是，有多種不同的制造量子比特的方法一從在超導電路中組裝到使用激光控制的冷原子一能讓我們在穩定量子比特之路上有多種選擇。德馬科說：“出現了很多很有想象力的技術創新。”

當然，我們肯定還需要更多創新。迪文琴佐說，他在想象擁有百萬量子比特的量子計算機時，看到的是無數個擺滿各類機器的房間，與位于瑞士的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機等粒子對撞機設備沒有任何不同。由100萬個超導量子比特構成的量子計算機必須安置在巨大的冰箱內，因為那些量子比特只能在極低的溫度下工作，而且其控制系統需要使用成千上萬根電線。類似地，由極冷原子構成量子比特的大型量子計算機則需要成千上萬個激光器。一種解決方案是將許多較小的量子計算機連接到一臺機器上。

量子計算的微妙之處

不過，真正阻礙我們實現量子計算機革命性應用的是，我們其實不知道這類機器最適合解決什么類型的問題。這也確實很難預測，因為約束量子比特行為的量子定律存在諸多細節，使得我們很難充分利用量子計算機看似巨大的潛在計算能力。疊加態，也即一個量子比特既不編碼 1 也不編碼0，會讓人聯想到量子計算機同時運行這兩個值的計算。荷蘭阿姆斯特丹大學的馬里斯·奧佐爾斯（MarisOzols）說，現實情況要微妙得多，存在許多實際操作層面的挑戰。

處于疊加態的量子比特與經典比特之間的真正區別在于，是否可能以 100% 的概率分辨出這個比特編碼的是1還是0。對于量子比特來說，我們可能只能在測量它時發現，它在 30% 的時間里編碼的是1。量子計算機上的計算是其量子比特狀態變化的序列。如果這些狀態是疊加態并且相互之間關聯，那就有益于計算。不過，要讀出量子計算機具體做了什么，就不得不測量這些狀態。測量結果會是各種不同概率的不同答案，但絕不會同時產生所有可能出現的答案。

在過去的5年里，我們已經在實驗室中取得了非凡進展

這意味著量子方法并不能保證更快解決問題。舉例來說，在確定由0和 1 組成的隨機字符串中1的數量是奇數還是偶數時，經典計算機和量子計算機花費的時間并無不同。因此，選擇適合量子計算機解決的問題，以及正確的實現算法，對于充分發揮量子計算機的潛力至關重要。當然，有時這也確實十分困難。

諸如復雜性理論等數學工具或許能提供一些幫助，幫助我們了解在哪些問題上量子計算機的處理速度相比經典計算機有最大的優勢。奧佐爾斯說：“不過，真正優秀的量子算法就像是人們碰巧才能發現的稀世珍寶。構建合適的量子算法沒有任何普適的簡單方法，這個過程更像是一門藝術。”

我們的自標當然是造出尺寸更大、出錯更少的量子計算機，但現在，我們處于某種進退兩難的境地。奧佐爾斯說：“目前，我們還不能運行任何真正尖端的量子算法，所以進展都是在某種理論世界中發生的。在這個理論世界中，我們不斷開發算法并證明他們應該有用，但實際上，我們永遠無法真正檢驗這一點。”

即便是最出名的量子計算算法—數學家彼得·肖爾（PeterShor）在1994年發現的，研究人員確信它可以破解經典算法無法破解的加密密鑰一也無法真正在現有的量子計算機上實現，因為目前的量子計算機還太小，太容易出錯。奧佐爾斯說：“我們現在還沒有能力在硬件上操弄算法。”

那么，隨著量子計算機的不斷進步，我們可以期待量子計算機出現哪些具體應用以及它們對社會產生哪些影響呢？我們有理由保持樂觀。在過去的幾年內，有多支團隊在糾錯量子計算機方面取得了重大進展。舉例來說，谷歌量子人工智能公司的研究人員證明，他們可以增加柳木量子計算機中的量子比特數量，從而讓更大型的量子計算機在執行實際操作時更少出錯。增加量子比特數量確實是制造高容錯大型量子計算機的必由之路。德馬科說，如果這股勢頭繼續下去，那么量子計算機在幾年內便能處理化學和材料科學領域的實際應用問題，特別是如果我們能把量子計算機當作更大計算生態系統的組成部分使用的話。

輸電力。

量子人工智能

量子計算機還有助于我們發現新藥。實際上，我們已經開始在藥物研發的計算上使用量子計算機，以確定目標藥物同生物分子結合的最佳方式，并預測哪些潛在的藥物分子本質上對人體是有害的。還有更有野心的：部分研究人員甚至想在量子計算機上運行人工智能程序。這類程序并不像化學問題那樣適合量子計算機，而且科學家對于這么做的具體實用價值也沒有達成一致意見。

雖然真正實現這些進步還有很長的路要走，但量子計算機已經取得了一些進展。加州理工學院的約翰·普雷斯基爾（JohnPreskill）說，已經有數十項量子領域的發現填補了我們對世界內部運作機制認識的空白—他稱這些發現為“發現源”。其中包括對原子鏈產生磁性方式的認識，對似乎永遠保持運動的奇異“時間晶體”的模擬，以及對能夠選擇性抵御宇宙朝無序方向（也即熵增）發展的系統的研究。

以探測到由黑洞碰撞等災難級事件產生的時空漣漪。如果我們在引力波探測中使用量子方法控制光一與某些量子計算機設計方案用到的技術沒有什么不同一就可以大幅拓展探測的頻率范圍。蘇雷曼扎德說，科學家持續不斷地在量子研究領域努力，盡可能全面地掌握量子效應背后的原理，最后便能建造擁有百萬量子比特的量子計算機，這必然會產生類似的次生效應。

德馬科說，追根究底，因為具體哪種算法應用到量子計算機上最有效尚不確定，所以現在很難預測量子計算機會產生什么實際影響。這并不是說量子計算機不會改變世界，更大程度上還是我們不確定它們會如何改變世界。德馬科把這個問題比作在20世紀70年代詢問生產個人電腦的人，智能手機的存在會對人類社會產生什么影響。他說：“實際上，正是那些無法預見的事最是讓我興奮。” (÷) 資料來源NewScientist

在化學領域，我們可以用量子計算機研究某些分子的特性，這些分子可以升級化石燃料電池中的催化劑，或者成為下一代太陽能電池板的組成部分。在材料科學領域，量子計算機有助于模擬并創造性能更優的超導體，這種超導體無需冷卻就能無損傳

在加州大學伯克利分校的阿茲扎·蘇雷曼扎德（Aziza Suleymanzade）看來，無論我們近期能夠發現量子計算的何種應用，無論這些應用是大是小，這種技術無疑都是值得大力發展的。她舉了激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）的例子，這座天文臺可本文作者卡米拉·帕達維奇-卡拉漢（KarmelaPadavic-Callaghan）是伊利諾伊大學厄巴納－香檳分校物理學博士，現在是一位科學作家，主要報道物理學、材料科學和量子技術領域的新聞