量子计算机成熟了吗，量子计算机多厉害

多次登上顶级期刊封面

2023年8月28日，《Top Journal 《科学》杂志封面上刊登了一张奇怪的照片。在黑色背景上，看起来像计算机芯片的东西向下投射出神秘的蓝光。一些有机化学分子在蓝光下飞行。

这是不到一年的时间里，谷歌的量子计算芯片第二次登上顶级期刊的封面。封面上的电脑芯片是谷歌的量子计算芯片，《科学》杂志封面上飞舞的有机物质是一种叫做二氮烯的简单化学物质。

这篇论文说[1]，

Google 使用12 个量子位成功模拟了二氮烯的异构化反应。

大家可能还记得，2023 年9 月底，谷歌凭借53 量子比特的量子计算机实现了所谓的量子霸权，并登上了顶级期刊《自然》 的封面[2]。

量子霸权是指量子计算机在针对特定计算问题的计算速度上压倒性超越经典计算机的成就。因此，我认为翻译为“量子计算的好处”会更好。然而，这个特定的计算问题可以专门设计，而不考虑其实际价值。

结果，量子霸权成为一个里程碑。但很明显，谷歌并不满足于实现量子霸权。他们有一个宏伟的目标，就是利用这台量子计算机在一年内完成对化合物的模拟。果然，谷歌在不到一年的时间内就完成了这一任务。因此，这个消息一经公布，科学爱好者顿时兴奋不已。这是因为模拟有机物的空间结构需要大量的计算并且众所周知是困难的。这是量子计算机特别适合的地方。一些媒体正在做出大胆的解读和猜测，但我们很快就能模拟有机物吗？阿尔茨海默病、帕金森病等疾病会很快被攻克吗？

但有些不幸的是，仔细阅读谷歌的论文就会发现，情况并不像媒体猜测的那么乐观。谷歌量子计算机模拟的二氮烯物质被认为是一种有机材料，但它只包含四个原子：两个氮原子和两个氢原子。与解决阿尔茨海默病高度复杂的蛋白质折叠问题相比，这就像砖头和摩天大楼之间的区别。

事实上，截至2023 年，IBM 使用7 个量子位来模拟氢化铍分子的特性[3]。氢化铍分子有两个氢原子和一个铍原子，总共三个原子，只比我们模拟的二氮烯少一个。

照片：IBM 的量子计算机

因此，谷歌的论文实际上只是证明了量子计算机的实用价值，并没有实现一些媒体渲染的“质的突破”。

听完之后，你可能会有一些疑问。 IBM 使用7 个量子位来模拟氢化铍，而Google 使用12 个量子位来模拟二氮烯。但如果全部53 个量子位都用于计算，谷歌的量子计算机能否模拟更复杂的化合物呢？为什么最好的量子计算机只有53 个量子位？增加量子位数量有何困难？

量子计算与经典计算的区别

也许有人认为电子计算机和量子计算机的区别就一个字：一个需要使用电子来进行计算，另一个需要使用量子计算机来进行计算是的。其实，这种理解是错误的。电子计算机中的电子学并不是指实际的电子，而是指电子电路。尽管我们已经将计算机芯片的尺寸缩小到纳米级别，但这些电路仍然像墙壁开关一样完全可控。

负责量子计算机计算的组件不是开关，而是实际的微观粒子。正如量子物理学所解释的，它们没有明确定义的状态。他们的行为只能用概率来解释。

照片：量子芯片

幼儿园的孩子在做数学时会用手指数数。手指计算虽然原始且缓慢，但与太湖之光超级计算机本质相同，属于经典计算的范畴。尽管芯片中的每个晶体管都做得比病毒还要小，但这些晶体管仍然是完全受控的。就像手指一样，它们也受经典物理定律的支配。

经典计算的对立面是量子计算。

您可能听说过一些奇怪的性质，例如量子力学中的叠加、不确定性原理和量子纠缠。量子计算机实际上是为了利用量子力学的这些奇怪特性而设计的。

为了帮助大家理解量子计算的独特性，这里有一些非常简单的例子。

接下来，想出1 到10 之间的一个数字，并用一只手表示它。用五个手指代表1到5，伸出拇指和小指代表6，用拇指和食指代表8，代表10，握拳即可。

那么请回答，你一只手可以同时表达多少个数字？当然，一只手一次只能代表一个数字。没错，你一只手一次只能代表一个数字。这是经典计算机数据存储的基本规律。计算机比我们的手指更快，但它们仍然只能存储一位二进制数字。

然而，当我们转向量子计算机时，我们表示数字的方式立即被颠覆。现在把你用来代表数字的手放在口袋里，暂时不要拿出来。想一想，如果你伸出手，踢进口袋，你能代表多少个不同的数字？有10 个可能的答案。但是，在您实际伸出手并指出数字之前，您不会知道您的手指向哪个数字。这正是—— 个量子比特在量子计算机存储单元中的存储方式。存储的不是特定数据，而是所有可能数据出现的概率。踢口袋的手存在不确定性也是可以理解的。这只手所能表示的所有数字都加在一起。你可以在一只手上存储10个不同的号码，每个号码有10%的机会出现。这就是量子比特的力量。

如果你认为同时存储10 个数字并不神奇，那是因为你一只手只有5 个手指，而且编码方法还不够好。使用二进制数来表示数字，可以让您用五个手指同时存储32 个数字。如果同时使用双手，可以同时记住1024个数字。看，这就是量子位的力量。对于相同的10 个手指，堆叠将存储容量增加了1,000 倍，但使用完全相同的硬件资源。

不仅如此，未来每增加一个量子位都有可能使存储容量翻倍。如果按照这个规则继续增加，用不了多久，可以同时存储的数字总数就会超过整个宇宙的原子数。

上面我们讨论的只是一个存储问题。仅凭超大存储容量并不能完全体现量子计算机的能力。我们来谈谈量子计算机是如何进行并行计算的。

量子计算机上的并行计算

在任何计算中，将已知条件代入公式中并计算得出结果。经典计算机上的已知条件是一一确定的数字。当然，将特定数字代入公式只会得到特定结果。一种计算，一种结果。这是经典的计算机计算模式。

再打个比方，我们有一个黑盒子，有1024 个从左侧延伸的线头和1024 个从右侧延伸的线头。现在有人提到实际上只有一根线连接。传统电脑只能一根一根地试，怎么找到这些连接线呢？尝试使用左侧的第一个线程和右侧的第一个线程。如果这不起作用，请再次尝试使用左侧的线程1 和右侧的线程2，直到找到为止。回答。此方法最令人失望的结果是，可能需要1024×1024 或大约100 万次尝试才能找到答案。

如果我们可以使用量子计算机来解决这个问题，那就容易多了。前面提到，在量子位存储中，所有可能的数字通过叠加的方式存储在一起。所以1到1024实际上只是一组量子位。换句话说，量子计算机在一次计算中同时考虑了所有可能性。您可以一次性找到连接的电线。量子计算机利用并行计算，实现单次计算效率百万倍提升。

照片：谷歌的量子处理器

凭借超强大的存储容量、一次计算中所有结果的并行处理能力，以及每增加一个量子位就能将容量加倍的神奇能力，全世界都对量子计算机感到兴奋。

量子计算瓶颈

然而，理想虽然丰满，现实却很单薄。量子计算机的所有这些超能力都是基于量子效应。最可怕的量子效应之一被称为波函数塌缩。

还记得薛定谔那只被锁在密封盒子里的可怜猫吗？这只猫之所以能生活在生死重叠的状态，正是因为盒子与外界完全隔绝。通过所有测量，这个量可以让小猫立即恢复到原来的形状并看起来正常，无论是活着还是死了。

量子计算机中的量子比特也存在这个问题。只要有轻微的扰动，这些量子位就会很快崩溃成特定的状态。即使一组量子位包含大量数据，一旦测量它，数据就会消失并崩溃为特定的数字。

更离谱的是，你甚至无法直接读取计算结果。例如，量子计算机用于计算抛硬币后正面或反面出现的概率。量子计算机计算在50% 的情况下得出了这个结论。然而，这个结论不能被打印出来。因为每次你尝试读取结果时，波函数都会崩溃。结果从50% 正确变为明确答案1 或0。

为了得到正确的结果，科学家们必须重复同样的计算数万次，计算数以万计的这些特定的0或1，然后才能再次得到50%的结果。

严重影响量子计算的另一个因素是量子位难以保持纠缠。量子纠缠状态也称为相干性。只要一组纠缠量子受到干扰，整组量子就会失去相干性。这种现象称为退相干。相干性可以将量子位的状态相互绑定，是实现量子算法的物理基础。退相干使量子算法完全失效。

2023 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将量子位保持量子态或相干性的时间延长至10 毫秒。这个结果比之前的最佳结果好10,000倍[4]。

图：研究人员使用的核心技术——基于——受体的自旋轨道量子位（艺术概念图）

现在你应该对谷歌完成氮分子模拟的困难条件有一个大概的了解了。他们必须在千分之一毫秒内迭代地西泮进化算法数万次。此外，必须使用大量冗余量子位来处理信息，以防特定量子位由于波函数崩溃而失去计算能力。这就是为什么53量子位的量子计算机只能使用12个有效量子位进行计算的真正原因。

设计量子计算机的困难

许多人更喜欢将摩尔定律从经典计算机应用到量子计算机。他们认为去年已经建造了一台53 量子位的量子计算机，今年应该将目标增加到106 量子位，后年增加到212 量子位。事实上，大多数人低估了设计量子计算机的难度。

经典计算机芯片能够遵守摩尔定律，是因为芯片制造的技术储备已经成熟，剩下的就是技术细节的积累和突破。然而，量子计算机的情况则完全不同。虽然我们已经确认了量子计算机的设计理论是正确的，但我们还没有决定量子计算机在技术上应该走什么路。

让我们用一个经典的计算机来比喻。这就像我们已经知道你可以建造一台计算机，但我们还没有发明真空管或晶体管。此时，最大的问题是使用什么机械设备来实现计算机。量子计算机的现阶段大致可与手摇加法器发明时相媲美。

别夸大其词。构建量子计算机至少有20 种不同的解决方案。每个解决方案在某些方向上都有自己的优势。

例如，使用微型超导电路制造的超导量子计算机具有使量子位更容易创建的优点。 Google 和IBM 目前正在使用此解决方案。然而，超导量子计算机也有明显的缺点。这意味着为了顺利运行，需要维持低温超导环境。此外，这些量子位还容易受到噪声干扰。

微软正在努力构建拓扑量子计算机。根据该技术的数学理论，该技术方案可以有效抵抗外部噪声，延缓塌陷和退相干的发生。然而，这项研究仍处于数学阶段，真正的计算机尚未建成[5]。

图：拓扑量子计算的理论模型

此外，还有依靠电磁场控制带电离子的离子阱量子计算机，以及依靠光学器件控制光子的光量子计算机。

每个设计解决方案都有其自身的优点。目前，还没有任何单一计划能够击败众人并最终取得胜利。

过去几年[6]，美国、英国、加拿大等国在量子计算机研发方面投入超过10亿美元，德国、俄罗斯、荷兰等国也有类似投入从事量子计算机的研究和开发。在量子计算方面投资了数亿美元。然而，很明显，在决定具体的技术方向之前，这些巨额投资正在分散在不同的计划中。

目前看来，谷歌和IBM等大公司正在走上超导量子计算机的道路，但考虑到两家公司目前面临的困难，我们尚不能确信这是最佳解决方案。

宇宙射线可能锁定量子计算机的未来

麻省理工学院最近的一项研究指出，噪声干扰引起的量子比特退相干问题很可能是当前量子计算机技术发展的上限[7]。麻省理工学院林肯实验室研究员奥利弗教授表示：“过去20年来，我们就像剥洋葱一样，一一解决导致量子位退相干的因素。直到，除了周围的环境辐射之外，没什么可做的了。

为了减少周围的环境辐射，研究人员还用两吨重的铅块建造了一堵防辐射墙。他们连续升高和降低铅墙，并测量环境辐射对量子位退相干的影响。

最终，他们得出的结论是，虽然这些措施有效地阻挡了来自周围环境的辐射，但它们并没有阻挡无处不在的宇宙射线，从而为量子计算机的进一步发展创造了上限。

他们没想到这些极其微弱的辐射会严重破坏量子比特的稳定性。目前，科学家们要么将设备隐藏在地下1000米处，要么开发出能够抵御宇宙射线干扰的有效组件。

坦率地说，宇宙射线已经锁定了我们的量子计算机技术。 （这也是三体文明的阴谋吗？）

突破量子计算机的技术奇点

解决退相干问题并显着提高量子位的稳定性可能是我们正在寻找的技术奇点。如果这一点能够克服，量子计算机就有可能爆发式发展。

刚刚突破奇点的量子计算机不一定很强大。尽管可控量子位仍然只有几十个，但这些计算机的稳定性已显着提高。这些量子计算机连接到互联网，为公众提供相对稳定的量子计算云服务。

目前，量子计算机无法运行Scholl 算法等复杂算法，因为没有足够的量子位。我们的密码也没有受到挑战。但全世界都在嗅出危险信号，世界正处于量子计算革命的前夜。很快，各种适合量子计算时代的安全密码被开发出来，世界各地的软件开始基于密码学的版本升级[8]。

目前，世界各地的工程师正在尝试发明新的量子算法。一些专门的算法在专用量子计算机上使用，而另一些则必须等到量子计算机变得更强大才能执行。最有趣的是，这个阶段可能会产生有助于优化和设计量子计算机的算法，这可能成为设计更好的量子计算机背后的驱动力。这些算法将帮助我们更好地设计量子计算机。量子计算机的发展开始加速。

图：设计和建造中的量子计算机

目前，得益于技术的进步，原本必须在接近绝对零的环境下运行的量子计算机，现在可以在4K以上的温度下运行。于是，人类开始利用太空的低温环境，在太空建造大型量子计算机。事实证明，量子计算机需要消耗大量能量来维持超导环境，而到达太空后超导环境急剧下降。很快，量子计算成为一项常见的公共服务。量子计算机适合解决的所有问题都将由量子计算机解决，人类对计算的需求将突然被释放。

人工智能或将迎来新时代

世界的信息化也将达到前所未有的水平。丰富的计算能力将帮助人类处理物联网收集的所有信息。在量子计算的帮助下，人工智能训练将达到前所未有的高度。

无论我们能否破译人类意识的秘密，只要继续优化模式识别，我们就有可能创造出高度模仿人类行为的人工智能。真正的智能时代已经来临。

准确模拟大气运动使短期天气预报高度准确。

通过对大量图像的模式识别，人工智能可以识别照片中的几乎所有内容。

互联网上的所有信息都可以阅读和分析，任何信息都可以追溯到其原始来源，没有伪科学和谣言的余地。

我们在蛋白质分子水平上进行病理研究和药物发现，以彻底了解您体内的化学反应。

我们有机会深入解读每个人的基因，充分理解每个基因的意义，有可能彻底破译人体。

我们的医疗也将进入基于基因分析的精准医疗阶段，人类的寿命将得到最大限度的延长，除了仍然不可阻挡的衰老过程之外，我们将不再害怕疾病。

即使完成了上述计算，如果我们还有足够的计算能力，人类也将不可避免地进入太空。我们将探索地球上能接收到的所有电磁波，并可能很快发现来自遥远星系的智慧生命的呼唤。

人类或许掌握微观世界的根本规律

经典计算机的发展一直持续到摩尔定律到期并且芯片尺寸达到其物理极限为止。未来，量子力学将接过经典力学的接力棒，继续驱动量子计算机的发展。人类对世界的认识将从宏观的近似跨越到对微观世界规律的准确认识。

量子力学所统治的微观世界，总是因其奇异而违反直觉的规则，向我们展示着陌生人无法接触到的状况。

然而，以量子力学理论为指导的量子计算机却成为量子力学的突破。它不仅充分应用了量子力学的各种奇怪性质，而且还通过强大的计算能力不断提高自身的能力。量子计算机的出现，为人类掌控微观世界打开了大门。

很难想象人类对微观世界的控制最终会达到什么水平。但我们可以肯定的是，量子计算机一定会加深我们对量子力学的理解，形成相互促进的良性循环。或许人类发现万物理论的终极梦想也可能在这个阶段实现。

人类最终会不会像科幻大师阿瑟·C·克拉克在《太空漫游四部曲》中描绘的银河主宰者一样，将自己转化为量子信息，融入宇宙之中？编辑，我觉得如果我们继续追随下去这个方向并发挥我们的想象力，我们不能完全排除这种可能性。

酱

https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

https://www.sciencemag.org/news/2023/09/quantum-computer-simulates-largest-molecule-yet-sparking-hope-future-drug-discoveries

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/09/200904121331.htm

https://www.sohu.com/a/116866480_465975

https://www.analyticsinsight.net/top-10-countries-leading-quantum-computing-technology/

https://eurekalert.org/pub_releases/2023-08/miot-crm082420.php

https://techbeacon.com/security/waiting-quantum-computing-why-encryption-has-nothing-worry-about

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来源：中国科学院物理研究所