vsphpfor2008别愉快太早研发量子盘算机的难度你想象不到

2020 年 8 月 28 日，在顶级期刊《科学》杂志的封面上，印着一个奇怪的画面。
在玄色的背景上，一个类似于打算机芯片的东西，向下投射出一束神秘的蓝光。
在蓝光的映照下，飞舞着一些有机化学分子。

这是谷歌公司的量子打算芯片在不到一年的韶光里，第二次登上顶级期刊的封面。
封面上那个类似于打算机芯片的东西，正是谷歌公司的量子打算芯片，而那些飞舞在《科学》杂志封面上的有机物，则是一种大略的化学物质，名叫二氮烯。

这篇论文里说[1]，

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谷歌公司成功地用 12 个量子比特，仿照了二氮烯这种物质的异构化反应。

大家可能还记得，在 2019 年 9 月尾的时候，谷歌公司用 53 个量子比特的的量子打算机实现了所谓的量子霸权，从而登上了顶级期刊《自然》杂志的封面[2]。

量子霸权是指：在某一个特定的打算问题上，量子打算机在打算速率上对经典打算机实现了碾压式的超越。
以是我以为更好的译法该当是“量子打算上风”。
不过，这个特定的打算问题可以是特殊设计出来的，不须要考虑实用代价。

于是，量子霸权成为了一个里程碑式的存在。
但是，谷歌公司显然对实现量子霸权并不知足。
他们许下宏愿说，一年之内，要用这台量子打算机完成一次化合物的仿照。
果真，不到一年韶光，谷歌公司就把这件事儿做成了。
以是，新闻一出，科学爱好者们立即就沸腾了。
由于有机物质空间构造的仿照，那是出了名的打算量大，打算难度高。
这险些便是量子打算机得天独厚的领域。
还有一些新闻媒体做出了大胆的解读和预测，能仿照有机物，那是不是很快就能仿照蛋白质了？是不是阿尔兹海默症、帕金森症这些疾病，很快就能占领了？

但是，有点儿遗憾的是，在仔细看了谷歌公司的论文后就能创造，事情并没有媒体们预测的那么乐不雅观。
谷歌量子打算机仿照的二氮烯这种物质，虽然算是有机物，但是它只包含 2 个氮原子和 2 个氢原子，也便是说，它只有 4 个原子。
这与办理阿尔兹海默症那种高度繁芜的蛋白质折叠问题比较，就彷佛是一块砖和一栋摩天算夜楼的差距。

实在早在 2017 年，IBM 公司就利用 7 个量子比特，仿照了氢化铍分子的特性[3]。
氢化铍分子中有两个氢原子和一个铍原子，统共 3 个原子，只比谷歌公司这一次仿照的二氮烯，少了一个原子而已。

图：IBM 的量子打算机

以是，谷歌这一篇论文，实在只是证明了他们的量子打算机的实用代价而已，以是并没有实现有些媒体过度解读的那种“质的打破”。

听到这里，你可能会有疑问。
IBM 仿照氢化铍用了 7 个量子比特，谷歌仿照二氮烯用了 12 个量子比特。
可是，谷歌的量子打算机足足有 53 个量子比特呢，如果把所有的 53 个量子比特全部用于打算，是不是就能仿照更繁芜的化合物了呢？为什么最好的量子打算机只有 53 个量子比特，让量子比特增加，到底难度在哪里呢？

量子打算与经典打算的不同

可能有人以为，电子打算机和量子打算机，只相差一个字，该当一个用电子做打算，另一个则用量子做打算。
实在，这个理解是缺点的。
电子打算机里的电子，指的并不是真正的电子，它指的是电子电路。
虽然我们已经把打算机芯片的尺度缩小到了纳米级别，但是，这些电路依然与墙上的那些开关一样，是完备可控的。

而量子打算机里卖力打算的元件可不是开关，那些都是真正的微不雅观粒子。
它们就像量子物理中描述的一样，没有确定的状态。
我们只能用概率来阐明它们的行为。

图：量子芯片

幼儿园小朋友算算数时，用的是掰手指头的方法来打算。
掰手指头算算数，虽然又原始又缓慢，但它与太湖之光超级打算机的实质一样，都属于经典打算的范畴。
虽然芯片中的每一个晶体管已经做得比病毒还要小，但是，这些晶体管依然是完备受控的。
它们与手指头一样，都是受经典物理学定律指挥的。

与经典打算相对的，便是量子打算。

你可能听说过量子力学中的叠加态、测不准事理和量子纠缠这些奇怪的特性吧。
量子打算机真的便是利用了量子力学的这些奇怪特性而设计出来的。

为了让大家能理解量子打算的独特之处，这里我们举几个高度简化的例子：

现在请你想一个 1 到 10 之间的数字，然后用一只腕表现出来。
我们可以用 5 根手指头表示出 1 到 5 ，然后用拇指和小指一起伸出来表示 6，拇指和食指一起，可以表示 8，如果表示 10，那就攥紧拳头就行了。

那么，请你回答，你用一只手，每一次到底能表达多少个数字呢？你肯定以为这根本不是一个问题，一只手每次当然只能表达一个数字呗。
没错，一只手在同一韶光只能表达一个数字，这便是经典打算机存储数据的根本规律。
打算机比我们的手指头更快，但它的一个比特位，仍旧只能存储一个二进制数。

但是，如果换成量子打算机，那表达数字的办法立即就被颠覆了。
现在，请把你刚刚用来表示数字的那只手踹在兜里，先别焦急拿出来。
请你想一想，你踹在兜里的这只手，如果伸出来之后，有可能表达出多少种数字呢？答案是 10 种可能。
但是，在你真正把手伸出来表示一个数字之前，你的手会比出哪个数字，仍旧是不愿定的。
这正是量子打算机的存储单元——量子比特的存储办法。
它储存的不是详细的数据，而是所有可能涌现的数据的涌现概率。
你也可以理解为，你踹在兜里的这只手，具有某种不愿定性。
所有你可以用这只腕表达的数字，全部都叠加在一起了。
你只用了一只手，就存储了 10 个不同的数字，每个数字涌现的概率都是 10%，这便是量子比特的威力。

如果你以为，同时存储 10 个数字，算不上什么神奇的事情，那是由于我们的一只手只有 5 根手指，而且编码的办法也不足好。
如果我们用二进制来表示数字， 5 根手指就能同时存储 32 个数字。
如果同时用两只手，那就可以同时存储 1024 个数字了。
请看，这便是量子比特的威力所在。
同样是 10 根手指，利用叠加态会让存储能力提升了足足 1000 倍，但它们利用的硬件资源却是完备一样的。

不仅如此，往后每增加一个量子比特，存储能力就能再提升一倍。
按照这个规律增加下去，用不了多久，我们可以同时存储的数字总量，就比全宇宙的原子数还要多了。

上面咱们说的只是存储问题。
光有超大的存储能力，还不能完备表示出量子打算机的强大来。
我们再说说，量子打算机是怎么进行并行打算的。

量子打算机的并行打算

任何一次打算，都是把已知条件代入公式，然后通过打算得到结果。
经典打算机上的已知条件，便是一个一个的确定的数字。
把确定的数字代入公式，当然也只能得到确定的结果。
一次打算，得到一个结果，这便是经典打算机的打算模式。

我们可以再打个比方，现在有一个黑盒子，左边伸出 1024 根电线头，右边也伸出 1024 根电线头。
现在有人见告你，实在只有一根电线是连通的，叨教，你该如何找到这根连通的电线呢？如果利用经典打算机，我们只能一个一个地考试测验。
左边的 1 号线头和右边的 1 号线头试试，如果弗成，就用左边的 1 号线头和右边的 2 号线头再试，直到找到答案为止。
这种方法，最不幸的结果，便是可能要考试测验 1024x1024 次，也便是大约 100 万次才能找到答案。

如果用量子打算机办理这个问题，就大略多了。
刚刚我们说过，量子比特的存储，所有可能的数字，都是叠加在一起存储的。
那么从 1 到 1024，实在就只是一组量子比特而已。
也便是说，只须要一次打算，量子打算机就同时把所有的可能都考虑进去了。
它可以一次性地找到那根连通的电线。
一次打算，量子打算机就通过并行打算，实现了 100 万倍的效率提升。

图：谷歌的量子处理器

超级强大的存储能力，加上只须要算一遍，就能得到全部结果的并行处理能力，以及每增加一个量子比特，能力就能增加一倍的神奇特性，让全天下都对量子打算机产生着强烈的期待。

量子打算的瓶颈

然而空想很丰满，现实却是骨感的。
量子打算机的这些超能力，全部都建立在量子效应的根本上。
量子效应最害怕的一件事情，就叫做波函数坍缩。

还记得被薛定谔关在封闭盒子里的那只可怜的猫吗？这只猫之以是能够处于生与去世的叠加态，正是由于盒子与外界是完备隔绝的。
任何丈量，都能把这只量子猫一瞬间打回原形，让它呈现出要么活着，要么去世了的平凡状态。

量子打算机的量子比特也存在这种问题。
只要有一点点的风吹草动，这些量子比特就会立即坍缩成一个确定的状态。
哪怕一组量子比特中装着海量的数据，只要你一丈量，这些数据都会立即子虚乌有，坍缩成一个详细的数字。

更过分的是，即便是打算结果，你都是没办法直接读出来的。
比如，我们用量子打算机，来打算抛出硬币后，正面和背面涌现的概率。
量子打算机打算得出了 50% 这个结论。
但是，这个结论却没办法输出出来。
由于我们只要考试测验读出结果，就会导致波函数坍缩。
结果也就从精确的 50%，变成了不是 1，便是 0 的确定答案了。

科学家们为了精确地得到打算结果，竟然要把同一个打算重复上万遍，然后再把这上万个详细的 0 或者 1 统计一遍，才能重新得出 50% 这个打算结果。

其余一个严重影响量子打算的成分，是量子比特很难保持住量子纠缠的状态。
量子纠缠状态又被称为相关性。
一组纠缠在一起的量子中，只要有一个受到滋扰，那么整组量子就会一起失落去相关性，这种征象叫做退相关。
相关性可以把量子比特的状态相互绑定在一起，这是实现量子算法的物理根本。
而退相关则会让量子算法彻底失落效。

2020 年 7 月 20 日，日本东北大学和悉尼新南威尔士大学的一项联合研究，把量子比特坚持量子态或相关性的韶光延长到了 10 毫秒。
这个成绩比以前的最好成绩，足足提高了 10000 倍[4]。

图：研究职员采取的核心技能——基于受体的自旋轨道量子位（艺术观点图）

现在你该当大致理解，谷歌公司是在何等艰巨的条件下，完成了对二氮稀分子的仿照了吧。
他们必须在千分之几毫秒的韶光内，把二氮稀的蜕变算法重复上万遍。
而且，他们必须要用大量冗余的量子比特来处理信息，以防某一个量子比特由于波函数坍缩而失落去了打算能力。
这便是 53 量子比特的量子打算机，只能拿出 12 个有效的量子比特来进行打算的真正缘故原由。

量子打算机的设计难度

很多人喜好拿经典打算机的摩尔定律来套量子打算机。
他们以为去年制造出了 53 量子比特的量子打算机，今年就该当把指标提高到 106 量子比特，后年就该当是 212 个量子比特。
实在，大部分人都低估了量子打算机的设计难度。

经典打算机的芯片之以是能符合摩尔定律，是由于制造芯片的技能储备已经成熟，只差技能细节的积累和打破了。
但是量子打算机的处境却完备不一样。
我们只是确认了量子打算机的设计理论精确无误，但是却没能确定，量子打算机该走什么样的技能路线。

用经典打算机来打个比方。
这就好比我们已经知道制造打算机是可行的，但是我们还没发明出电子管和晶体管来。
这时候，到底用哪种机器装置来实现打算机，便是一个大问题了。
现在量子打算机所处的阶段，大概就相称于发明了手摇加法器的年代。

你还真别以为夸年夜，现在至少有 20 种不同的量子打算机制造方案。
每一种方案，都在某一个方向上具有一点独特的上风。

比如，通过小型超导电路制造的超导量子打算机，有着比较随意马虎创建量子比特的上风。
现在谷歌和IBM用的都是这个方案。
但是，超导量子打算机也有明显的劣势，那便是必须要坚持一个低温超导环境，才能够顺利地运行。
而且，这些量子比特也比较随意马虎受到噪声的滋扰。

微软公司比较热衷于制造拓扑量子打算机，根据这项技能的数学理论，这种技能方案可以有效地抵抗外界噪声，延缓坍缩和退相关的发生。
不过，这项研究目前仍旧处在数学阶段，还没有真实的打算机造出来[5]。

图：拓扑量子打算理论模型

除此以外，还有依赖电磁场掌握带电离子的离子阱量子打算机、依赖光学设备掌握光子的光量子打算机。

每一种设计方案，都有自己独特的优点。
目前，还没有任何一种方案，能够力压群雄，终极胜出。

在过去的几年里[6]，美国、英国、加拿大等国家对量子打算机的研发投入超过了 10 亿美元，德国、俄罗斯和荷兰等国在量子打算上也投入了数亿美元。
但是，很显然，在一个详细的技能方向确定之前，这些巨额的投资被各种各样不同的方案分散了。

目前看来，虽然比较领先的谷歌和 IBM 走的都是超导量子打算机的路线，但从这两家公司目前碰着的困境来看，我们仍旧不能肯定，这便是那个最优的办理方案。

宇宙射线或将锁去世量子打算机的未来

麻省理工学院最近的一项研究表示[7]，噪声滋扰导致的量子比特退相关问题，很可能成为当前量子打算机技能发展的天花板。
麻省理工学院林肯实验室的研究员奥利弗教授说：“在过去的20年里，我们就像剥洋葱一样，把引起量子比特退相关的成分一个一个地办理掉。
到现在，除了周围的环境辐射以外，已经没有太多的事情可以做了。
”

为了减少周围的环境辐射，研究小组乃至把 2 吨重的铅块做成了防辐射墙。
他们不断地升起和降下这堵铅做的墙，来测定环境辐射对量子比特退相关的影响。

末了，他们的结论是，这些方法有效地阻挡了来自周围环境的辐射，但是却挡不住无处不在的宇宙射线，宇宙射线已经成为阻碍量子打算机进一步发展的天花板。

他们没有想到，那些极其微弱的辐射竟然对量子比特的稳定性起到了严重的毁坏浸染。
现在，科学家们要么带着设备躲到 1000 米深的地底下去，要么就必须研发出有效的能够抵抗宇宙射线滋扰的元器件。

说句大口语便是，宇宙射线锁去世了我们的量子打算机技能。
（难道这也是三体文明的阴谋吗？）

打破量子打算机的技能奇点

办理退相关问题，大幅度增加量子比特的稳定性，这很可能便是我们要探求的那个技能奇点。
只要这个点被打破，量子打算机就有可能取得爆发式发展。

刚刚打破奇点的量子打算机并不一定非常强大，它们可能仍旧只具备几十个可控量子比特，但是，这些打算机的稳定性得到了大幅度的提高。
这些量子打算机会被接入到互联网中，为公众年夜众供应比较稳定的量子打算云做事。

这时候的量子打算机由于量子比特不足多，仍旧无法运行肖尔算法这样的繁芜算法。
我们的密码也并不会遭遇寻衅。
但是，全天下已经嗅到了危险的旗子暗记，天下正处在量子打算革命的前夜当中。
很快，多种符合量子打算时期的安全密码被开拓出来，全天下的软件都开始了一轮基于密码学的版今年夜升级[8]。

这时候，全天下的工程师都在考试测验发明新的量子算法。
一些专用算法被用在专门建造的量子打算机上，其余一些算法则须要等待量子打算机变得更强后才能运行起来。
最故意思的是，这个阶段很可能产生一种帮助优化和设计量子打算机的算法，这让量子打算机成了设计更好的量子打算机的驱动力。
这些算法能够帮助我们，把量子打算机设计得更好。
量子打算机的发展开始了加速。

图：设计建造中的量子打算机

这时候，由于技能的发展，原来必须事情在靠近绝对零度环境中的量子打算机，可以事情在4K ，乃至更高的温度下。
于是，人类开始利用太空的低温环境，在太空建造大型的量子打算机。
原来为了坚持超导环境而耗能巨大的量子打算机，到了太空之后，利用本钱一下子就降下来了。
很快，量子打算成为一项普遍的公众年夜众做事。
凡是适宜量子打算机办理的问题，都会被拿去用量子打算机来办理，人类对打算的需求一下子被开释了出来。

人工智能或将迎来全新时期

全天下的信息化也会达到前所未有的水平。
充足的算力会帮助人类处理掉物联网网络到的全部信息。
在量子打算的帮助下，人工智能的演习将达到前所未有的高度。

无论我们是否能破解人类意识的秘密，仅凭借模式识别的不断优化，我们就能制造出非常靠近人类行为的人工智能。
一个真正的智能时期即将来临。

通过精准仿照大气运动，短期景象预报将变得极为精准。

通过对海量图像的模式识别，我们险些可以让人工智能帮我们识别出照片上的任何东西。

互联网上的所有信息都会被读取和剖析，我们有可能能够追溯任何一条信息的原始信源，让伪科学和谣言无所遁形。

我们会深入蛋白质分子层面进行病理研究和药物研发，所有人体内的化学反应都将被彻底弄清。

我们会深度解读每个人的基因，我们有机会彻底弄清楚每一个基因代表的含义，人体很可能会被彻底解码。

我们的医疗也会进入到基于基因解析的精准医疗阶段，人类的寿命会被延长到极致，除了仍旧无法对抗的朽迈，我们不再畏惧任何疾病。

在完成上述打算之后，如果算力依然充足，人类一定会把手伸向宇宙。
我们会对地球上能吸收到的所有电磁波进行拉网式搜索，大概我们很快就能创造来自迢遥星系的聪慧生命的呼唤。

人类或将节制微不雅观天下的底层规律

经典打算机的发展，会一贯发展到摩尔定律失落效，芯片的尺度达到物理极限为止。
未来，量子力学会接过经典力学的接力棒，一贯推动量子打算机的发展。
人类对天下的理解，将从宏不雅观近似的理解，跃升为对微不雅观天下底层规律的精准理解。