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算速度最快的計算機(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比特量子計算原型機(jī)“祖沖之號”，宣告全球最大量子比特數(shù)的超導(dǎo)量子體系誕生。在此之前，該團(tuán)隊研制的“九章”光量子計算原型機(jī)，比現(xiàn)有最強(qiáng)的超級計算機(jī)運算速度快100億倍。

由于量子計算機(jī)的強(qiáng)大算力和對國家安全、社會經(jīng)濟(jì)的巨大作用，量子計算機(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，穿越時空?！痹谌藗兊娜粘Ｉ钪?，當(dāng)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(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(xiàn)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(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著名的思想實驗：把一只貓關(guān)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(guān)控制。如果原子核衰變，則觸動電子開關(guān)，釋放毒氣，貓必死無疑。根據(jù)日常經(jīng)驗，貓或者死或者活，只有這兩種狀態(tài)?？墒牵绻醚Χㄖ@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(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(xué)家們有的嘲諷、有的懷疑，有的篤定。物理學(xué)家理查德·費曼曾感慨：“誰要是說他理解了量子力學(xué)，那就表明他還沒理解?！钡珶o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?！辈枀s反擊道：“你沒法告訴上帝該做什么?！?/p>

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”

智者總能在時代浪潮中立起駛向未來的桅桿。

“人類應(yīng)該考慮量子計算機(jī)了！”1982年，美國加州理工學(xué)院的一場報告會上，物理學(xué)家費曼提出了這一簡直是“天方夜譚”的論斷。當(dāng)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(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)計算機(jī)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(dāng)經(jīng)典物理看似走到盡頭時，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)計算機(jī)遭遇算力“天花板”時，又是量子計算機(jī)讓人們“路轉(zhuǎn)溪橋忽見”。

如果說經(jīng)典計算機(jī)是“蠟燭”，量子計算機(jī)就是“電燈”，二者都是為了發(fā)光，但點亮方式完全不同，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，科研人員在量子計算機(jī)上運行隨機(jī)量子線路采樣任務(wù)，并與模擬超級計算機(jī)的計算進(jìn)行對比，最終得出結(jié)論：量子計算機(jī)用時200秒完成的計算，如果用當(dāng)時最強(qiáng)大的超級計算機(jī)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(tǒng)計算機(jī)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?？蓪τ诹孔佑嬎銠C(jī)而言，它只需走一次。因為量子疊加態(tài)的特性，量子計算機(jī)仿佛吹一根毫毛變出千萬個分身的“美猴王”，它們齊頭并進(jìn)可一次搞定。

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

當(dāng)然，量子計算機(jī)也有自己的“小脾氣”。它最大的問題，在于不夠穩(wěn)定。經(jīng)典計算機(jī)不管算出什么結(jié)果，都可馬上輸出。但量子計算機(jī)無論是計算過程還是計算結(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，整個量子疊加態(tài)就會馬上坍縮，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，量子計算機(jī)在計算“可能、概率、隨機(jī)”等問題時的超強(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?？梢灶A(yù)見，在個人訂制藥物、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)計新材料，甚至是尋找“另一個地球”等方面，量子計算機(jī)將成為人類最有力的幫手。

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

“九章”量子計算機(jī)的設(shè)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(dāng)于讓50匹馬一起跑過100公里，必須同時到達(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，為了讓量子比特保持量子特性，量子計算機(jī)需要用強(qiáng)力冷卻裝置保持絕對零度（-273℃）才能正常工作。這就使得它的造價格外昂貴。據(jù)報道，美國研發(fā)和建造一臺量子計算機(jī)的前期費用，就已達(dá)100億美元。

而且，要想研發(fā)出通用型量子計算機(jī)，起碼要上千萬個量子比特。就專用量子計算機(jī)“九章”而言，僅僅有76個量子比特。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(jī)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(jī)如同人類頭頂那片璀璨的“藍(lán)?！??！八{(lán)?！焙苊?，但通往“藍(lán)海”的前路注定艱難；“藍(lán)?！焙苓h(yuǎn)，但通往“藍(lán)?！钡暮匠桃呀?jīng)開啟。