研發量子計算機到底有多難？宇宙射線或成最大攔路虎

屢登頂級期刊封面

2020 年 8 月 28 日，在頂級期刊《科學》雜誌的封面上，印著一個奇怪的畫面。在黑色的背景上，一個類似於計算機晶片的東西，向下投射出一束神秘的藍光。在藍光的映照下，飛舞著一些有機化學分子。

這是谷歌公司的量子計算晶片在不到一年的時間裡，第二次登上頂級期刊的封面。封面上那個類似於計算機晶片的東西，正是谷歌公司的量子計算晶片，而那些飛舞在《科學》雜誌封面上的有機物，則是一種簡單的化學物質，名叫二氮稀。

這篇論文裡說[1]：

谷歌公司成功地用 12 個量子比特，模擬了二氮稀這種物質的異構化反應。

我還記得，在 2019 年 9 月底的時候，谷歌公司用 53 個量子比特的的量子計算機實現了所謂的量子霸權，從而登上了頂級期刊《自然》雜誌的封面[2]。

量子霸權是指：在某一個特定的計算問題上，量子計算機在計算速度上對經典計算機實現了碾壓式的超越。所以我覺得更好的譯法應該是「量子計算優勢」。不過，這個特定的計算問題可以是特別設計出來的，不需要考慮實用價值。

於是，量子霸權成為了一個裡程碑式的存在。但是，谷歌公司顯然對實現量子霸權並不滿足。他們許下宏願說，一年之內，要用這臺量子計算機完成一次化合物的模擬。果然，不到一年時間，谷歌公司就把這件事兒做成了。所以，新聞一出，科學愛好者們立即就沸騰了。因為有機物質空間結構的模擬，那是出了名的計算量大，計算難度高。這幾乎就是量子計算機得天獨厚的領域。還有一些新聞媒體做出了大膽的解讀和猜測，能模擬有機物，那是不是很快就能模擬蛋白質了？是不是阿爾茲海默症、帕金森症這些疾病，很快就能攻克了？

但是，有點兒遺憾的是，在仔細看了谷歌公司的論文後就能發現，事情並沒有媒體們猜測的那麼樂觀。谷歌量子計算機模擬的二氮稀這種物質，雖然算是有機物，但是它只包含 2 個氮原子和 2 個氫原子，也就是說，它只有 4 個原子。這與解決阿爾茲海默症那種高度複雜的蛋白質摺疊問題相比，就好像是一塊磚和一棟摩天大樓的差距。

其實早在 2017 年，IBM 公司就利用 7 個量子比特，模擬了氫化鈹分子的特性[3]。氫化鈹分子中有兩個氫原子和一個鈹原子，總共 3 個原子，只比谷歌公司這一次模擬的二氮稀，少了一個原子而已。

圖：IBM 的量子計算機

所以，谷歌這一篇論文，其實只是證明了他們的量子計算機的實用價值而已，所以並沒有實現有些媒體過度解讀的那種「質的突破」。

聽到這裡，你可能會有疑問。IBM 模擬氫化鈹用了 7 個量子比特，谷歌模擬二氮稀用了 12 個量子比特。可是，谷歌的量子計算機足足有 53 個量子比特呢，如果把所有的 53 個量子比特全部用於計算，是不是就能模擬更複雜的化合物了呢？為什麼最好的量子計算機只有 53 個量子比特，讓量子比特增加，到底難度在哪裡呢？

量子計算與經典計算的不同

可能有人覺得，電子計算機和量子計算機，只相差一個字，應該一個用電子做計算，另一個則用量子做計算。其實，這個理解是錯誤的。電子計算機裡的電子，指的並不是真正的電子，它指的是電子電路。雖然我們已經把計算機晶片的尺度縮小到了納米級別，但是，這些電路依然與牆上的那些開關一樣，是完全可控的。

而量子計算機裡負責計算的元件可不是開關，那些都是真正的微觀粒子。它們就像量子物理中描述的一樣，沒有確定的狀態。我們只能用概率來解釋它們的行為。

圖：量子晶片

幼兒園小朋友算算數時，用的是掰手指頭的方法來計算。掰手指頭算算數，雖然又原始又緩慢，但它與太湖之光超級計算機的本質一樣，都屬於經典計算的範疇。雖然晶片中的每一個電晶體已經做得比病毒還要小，但是，這些電晶體依然是完全受控的。它們與手指頭一樣，都是受經典物理學定律指揮的。

與經典計算相對的，就是量子計算。

你可能聽說過量子力學中的疊加態、測不準原理和量子糾纏這些奇怪的特性吧。量子計算機真的就是利用了量子力學的這些奇怪特性而設計出來的。

為了讓你能理解量子計算的獨特之處，我需要給你舉幾個高度簡化的例子：

如果你的手裡現在沒有拿著東西，請跟我一起來做。現在請你想一個 1 到 10 之間的數字，然後用一隻手表示出來。這件事兒誰都會做。我們可以用 5 根手指頭表示出 1 到 5 ，然後用拇指和小指一起伸出來表示 6，拇指和食指一起，可以表示 8，如果表示 10，那就攥緊拳頭就行了。

那麼，請你告訴我，你用一隻手，每一次到底能表達多少個數字呢？你肯定覺得這根本不是一個問題，一隻手每次當然只能表達一個數字唄。沒錯，一隻手在同一時間只能表達一個數字，這就是經典計算機存儲數據的根本規律。計算機比我們的手指頭更快，但它的一個比特位，仍然只能存儲一個二進位數。

但是，如果換成量子計算機，那表達數字的方式立即就被顛覆了。現在，請把你剛剛用來表示數字的那隻手踹在兜裡，先別著急拿出來，聽我的問題。我要問你，你踹在兜裡的這隻手，如果伸出來之後，有可能表達出多少種數字呢？答案是 10 種可能。但是，在你真正把手伸出來表示一個數字之前，你的手會比出哪個數字，仍然是不確定的。這正是量子計算機的存儲單元——量子比特的存儲方式。它儲存的不是具體的數據，而是所有可能出現的數據的出現概率。你也可以理解為，你踹在兜裡的這隻手，具有某種不確定性。所有你可以用這隻手表達的數字，全部都疊加在一起了。你只用了一隻手，就存儲了 10 個不同的數字，每個數字出現的概率都是 10%，這就是量子比特的威力。

如果你覺得，同時存儲 10 個數字，算不上什麼神奇的事情，那是因為我們的一隻手只有 5 根手指，而且編碼的方式也不夠好。如果我們用二進位來表示數字， 5 根手指就能同時存儲 32 個數字。如果同時用兩隻手，那就可以同時存儲 1024 個數字了。看到沒有，這就是量子比特的威力所在。同樣是 10 根手指，使用疊加態會讓存儲能力提升了足足 1000 倍，但它們使用的硬體資源卻是完全一樣的。

不僅如此，以後每增加一個量子比特，存儲能力就能再提升一倍。按照這個規律增加下去，用不了多久，我們可以同時存儲的數字總量，就比全宇宙的原子數還要多了。

上面咱們說的只是存儲問題。光有超大的存儲能力，還不能完全體現出量子計算機的強大來。我們再說說，量子計算機是怎麼進行並行計算的。

量子計算機的並行計算

任何一次計算，都是把已知條件代入公式，然後通過計算得到結果。經典計算機上的已知條件，就是一個一個的確定的數字。把確定的數字代入公式，當然也只能得到確定的結果。一次計算，得到一個結果，這就是經典計算機的計算模式。

我再給你打個比方，現在有一個黑盒子，左邊伸出 1024 根電線頭，右邊也伸出 1024 根電線頭。現在我告訴你，其實只有一根電線是連通的，請問，你該如何找到這根連通的電線呢？如果使用經典計算機，我們只能一個一個地嘗試。左邊的 1 號線頭和右邊的 1 號線頭試試，如果不行，就用左邊的 1 號線頭和右邊的 2 號線頭再試，直到找到答案為止。這種方法，最不幸的結果，就是可能要嘗試 1024x1024 次，也就是大約 100 萬次才能找到答案。

如果用量子計算機解決這個問題，就簡單多了。剛剛我們說過，量子比特的存儲，所有可能的數字，都是疊加在一起存儲的。那麼從 1 到 1024，其實就只是一組量子比特而已。也就是說，只需要一次計算，量子計算機就同時把所有的可能都考慮進去了。它可以一次性地找到那根連通的電線。一次計算，量子計算機就通過並行計算，實現了 100 萬倍的效率提升。

圖：谷歌的量子處理器

超級強大的存儲能力，加上只需要算一遍，就能得到全部結果的並行處理能力，以及每增加一個量子比特，能力就能增加一倍的神奇特性，讓全世界都對量子計算機產生著強烈的期待。

量子計算的瓶頸

然而理想很豐滿，現實卻是骨感的。量子計算機的這些超能力，全部都建立在量子效應的基礎上。量子效應最害怕的一件事情，就叫做波函數坍縮。

還記得被薛丁格關在封閉盒子裡的那只可憐的貓嗎？這隻貓之所以能夠處於生與死的疊加態，正是因為盒子與外界是完全隔絕的。任何測量，都能把這隻量子貓一瞬間打回原形，讓它呈現出要麼活著，要麼死了的平凡狀態。

量子計算機的量子比特也存在這種問題。只要有一點點的風吹草動，這些量子比特就會立即坍縮成一個確定的狀態。哪怕一組量子比特中裝著海量的數據，只要你一測量，這些數據都會立即化為烏有，坍縮成一個具體的數字。

更過分的是，即便是計算結果，你都是沒辦法直接讀出來的。比如，我們用量子計算機，來計算拋出硬幣後，正面和背面出現的概率。量子計算機計算得出了 50% 這個結論。但是，這個結論卻沒辦法輸出出來。因為我們只要嘗試讀出結果，就會導致波函數坍縮。結果也就從正確的 50%，變成了不是 1，就是 0 的確定答案了。

科學家們為了正確地獲得計算結果，竟然要把同一個計算重複上萬遍，然後再把這上萬個具體的 0 或者 1 統計一遍，才能重新得出 50% 這個計算結果。

另外一個嚴重影響量子計算的因素，是量子比特很難保持住量子糾纏的狀態。量子糾纏狀態又被稱為相干性。一組糾纏在一起的量子中，只要有一個受到幹擾，那麼整組量子就會一起失去相干性，這種現象叫做退相干。相干性可以把量子比特的狀態互相綁定在一起，這是實現量子算法的物理基礎。而退相干則會讓量子算法徹底失效。

2020 年 7 月 20 日，日本東北大學和雪梨新南威爾斯大學的一項聯合研究，把量子比特維持量子態或相干性的時間延長到了 10 毫秒 。這個成績比以前的最好成績，足足提高了 10000 倍[4]。

圖：研究人員採用的核心技術——基於受體的自旋軌道量子位（藝術概念圖）

現在你應該大致了解，谷歌公司是在何等艱苦的條件下，完成了對二氮稀分子的模擬了吧。他們必須在千分之幾毫秒的時間內，把二氮稀的演化算法重複上萬遍。而且，他們必須要用大量冗餘的量子比特來處理信息，以防某一個量子比特因為波函數坍縮而失去了計算能力。這就是 53 量子比特的量子計算機，只能拿出 12 個有效的量子比特來進行計算的真正原因。

量子計算機的設計難度很多人喜歡拿經典計算機的摩爾定律來套量子計算機。他們以為去年製造出了 53 量子比特的量子計算機，今年就應該把指標提高到 106 量子比特，後年就應該是 212 個量子比特。其實，大部分人都低估了量子計算機的設計難度。

經典計算機的晶片之所以能符合摩爾定律，是因為製造晶片的技術儲備已經成熟，只差技術細節的積累和突破了。但是量子計算機的處境卻完全不一樣。我們只是確認了量子計算機的設計理論正確無誤，但是卻沒能確定，量子計算機該走什麼樣的技術路線。

我用經典計算機來打個比方。這就好比我們已經知道製造計算機是可行的，但是我們還沒發明出電子管和電晶體來。這時候，到底用哪種機械裝置來實現計算機，就是一個大問題了。現在量子計算機所處的階段，大概就相當於發明了手搖加法器的年代。

你還真別覺得誇張，現在至少有 20 種不同的量子計算機製造方案。每一種方案，都在某一個方向上具有一點獨特的優勢。

比如，通過小型超導電路製造的超導量子計算機，有著比較容易創建量子比特的優勢。現在谷歌和IBM用的都是這個方案。但是，超導量子計算機也有明顯的劣勢，那就是必須要維持一個低溫超導環境，才能夠順利地運行。而且，這些量子比特也比較容易受到噪聲的幹擾。

微軟公司比較熱衷於製造拓撲量子計算機，根據這項技術的數學理論，這種技術方案可以有效地抵抗外界噪聲，延緩坍縮和退相干的發生。不過，這項研究目前仍然處在數學階段，還沒有真實的計算機造出來[5]。

圖：拓撲量子計算理論模型

除此以外，還有依靠電磁場控制帶電離子的離子阱量子計算機、依靠光學設備控制光子的光量子計算機。

每一種設計方案，都有自己獨特的優點。目前，還沒有任何一種方案，能夠力壓群雄，最終勝出。

在過去的幾年裡[6]，美國、英國、加拿大等國家對量子計算機的研發投入超過了 10 億美元，德國、俄羅斯和荷蘭等國在量子計算上也投入了數億美元。但是，很顯然，在一個具體的技術方向確定之前，這些巨額的投資被各種各樣不同的方案分散了。

目前看來，雖然比較領先的谷歌和 IBM 走的都是超導量子計算機的路線，但從這兩家公司目前遇到的困境來看，我們仍然不能肯定，這就是那個最優的解決方案。

宇宙射線或將鎖死量子計算機的未來

麻省理工學院最近的一項研究表示[7]，噪聲幹擾導致的量子比特退相干問題，很可能成為當前量子計算機技術發展的天花板。麻省理工學院林肯實驗室的研究員奧利弗教授說：「在過去的20年裡，我們就像剝洋蔥一樣，把引起量子比特退相干的因素一個一個地解決掉。到現在，除了周圍的環境輻射以外，已經沒有太多的事情可以做了。」

為了減少周圍的環境輻射，研究小組甚至把 2 噸重的鉛塊做成了防輻射牆。他們不斷地升起和降下這堵鉛做的牆，來測定環境輻射對量子比特退相干的影響。

最後，他們的結論是，這些措施有效地阻擋了來自周圍環境的輻射，但是卻擋不住無處不在的宇宙射線，宇宙射線已經成為阻礙量子計算機進一步發展的天花板。

他們沒有想到，那些極其微弱的輻射竟然對量子比特的穩定性起到了嚴重的破壞作用。現在，科學家們要麼帶著設備躲到 1000 米深的地底下去，要麼就必須研發出有效的能夠抵抗宇宙射線幹擾的元器件。

說句大白話就是，宇宙射線鎖死了我們的量子計算機技術。（難道這也是三體文明的陰謀嗎？）

突破量子計算機的技術奇點

解決退相干問題，大幅度增加量子比特的穩定性，這很可能就是我們要尋找的那個技術奇點。只要這個點被突破，量子計算機就有可能取得爆發式發展。

剛剛突破奇點的量子計算機並不一定非常強大，它們可能仍然只具備幾十個可控量子比特，但是，這些計算機的穩定性得到了大幅度的提高。這些量子計算機會被接入到網際網路中，為公眾提供比較穩定的量子計算雲服務。

這時候的量子計算機由於量子比特不夠多，仍然無法運行肖爾算法這樣的複雜算法。我們的密碼也並不會遭遇挑戰。但是，全世界已經嗅到了危險的信號，世界正處在量子計算革命的前夜當中。很快，多種符合量子計算時代的安全密碼被開發出來，全世界的軟體都開始了一輪基於密碼學的版本大升級[8]。

這時候，全世界的工程師都在嘗試發明新的量子算法。一些專用算法被用在專門建造的量子計算機上，另外一些算法則需要等待量子計算機變得更強後才能運行起來。最有意思的是，這個階段很可能產生一種幫助優化和設計量子計算機的算法，這讓量子計算機成了設計更好的量子計算機的驅動力。這些算法能夠幫助我們，把量子計算機設計得更好。量子計算機的發展開始了加速。

圖：設計建造中的量子計算機

這時候，由於技術的發展，原本必須工作在接近絕對零度環境中的量子計算機，可以工作在4K ，甚至更高的溫度下。於是，人類開始利用太空的低溫環境，在太空建造大型的量子計算機。原來為了維持超導環境而耗能巨大的量子計算機，到了太空之後，使用成本一下子就降下來了。很快，量子計算成為一項普遍的公眾服務。凡是適合量子計算機解決的問題，都會被拿去用量子計算機來解決，人類對計算的需求一下子被釋放了出來。

人工智慧或將迎來全新時代

全世界的信息化也會達到前所未有的水平。充沛的算力會幫助人類處理掉物聯網收集到的全部信息。在量子計算的幫助下，人工智慧的訓練將達到前所未有的高度。

無論我們是否能破解人類意識的秘密，僅憑藉模式識別的不斷優化，我們就能製造出非常接近人類行為的人工智慧。一個真正的智能時代即將來臨。

• 通過精準模擬大氣運動，短期天氣預報將變得極為精準。
• 通過對海量圖像的模式識別，我們幾乎可以讓人工智慧幫我們識別出照片上的任何東西。
• 網際網路上的所有信息都會被讀取和分析，我們有可能能夠追溯任何一條信息的原始信源，讓偽科學和謠言無所遁形。
• 我們會深入蛋白質分子層面進行病理研究和藥物研發，所有人體內的化學反應都將被徹底弄清。
• 我們會深度解讀每個人的基因，我們有機會徹底弄清楚每一個基因代表的含義，人體很可能會被徹底解碼。
• 我們的醫療也會進入到基於基因解析的精準醫療階段，人類的壽命會被延長到極致，除了仍然無法對抗的衰老，我們不再懼怕任何疾病。

在完成上述計算之後，如果算力依然充足，人類必然會把手伸向宇宙。我們會對地球上能接收到的所有電磁波進行拉網式搜索，也許我們很快就能發現來自遙遠星系的智慧生命的呼喚。

人類或將掌握微觀世界的底層規律經典計算機的發展，會一直發展到摩爾定律失效，晶片的尺度達到物理極限為止。未來，量子力學會接過經典力學的接力棒，一直推動量子計算機的發展。人類對世界的理解，將從宏觀近似的理解，躍升為對微觀世界底層規律的精準理解。

量子力學主宰的微觀世界，一直以來都以它的反常識和怪異的規則，展現給我們一副生人勿近的狀態。

但是，量子力學理論指導下的量子計算機，成了量子力學的破壁人。它不僅把量子力學的各種怪異的特點，應用得淋漓盡致，還通過自己強大的計算能力，不斷提升著自身的能力。有了量子計算機之後，人類控制微觀世界的大門，就被開啟了。

很難想像，人類對微觀世界的控制，最終會達到什麼樣的水平。但是，我們可以肯定的是，量子計算機必然能加深我們對於量子力學的理解，從而形成互相促進的良性循環。也許，人類尋找萬物理論的終極夢想，也能在這個階段得以實現。

人類是否會像科幻大師阿瑟·克拉克在《太空漫遊四部曲》中描寫的銀河主宰一樣，最後把自己也化作量子信息，融入到宇宙中去。我覺得，如果順著這個方向，一直開腦洞下去，還真不排除這種可能呢。

在我們《未來科技體驗館》的第二季節目中，量子計算機作為一個與其他話題深度交織的話題，很可能會如同第一季中的 5G 技術一樣，成為其他技術的支撐性力量。從量子計算機到掌控微觀世界，這個腦洞已經大到讓我都驚訝的地步了。但是，正在經歷技術爆炸的人類，不得不接受這樣的現實。

討論題

今天這期我們講了量子計算機，你可能知道，量子計算機會對傳統的密碼學產生巨大的挑戰。現有的密碼系統可能都頂不住量子計算帶來的衝擊。那麼這是為什麼呢？

如果你對此有興趣，我會在「未來小課堂」繼續為你講解，正文的精華內容後續還會以漫畫的形式整合上線。請在公眾號「浦發銀行」回復關鍵詞「未來科技體驗館」便可進入彩蛋聽我講解，快快行動吧！

信源

1. https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084
2. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
3. https://www.sciencemag.org/news/2017/09/quantum-computer-simulates-largest-molecule-yet-sparking-hope-future-drug-discoveries
4. https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200904121331.htm
5. https://www.sohu.com/a/116866480_465975
6. https://www.analyticsinsight.net/top-10-countries-leading-quantum-computing-technology/
7. https://eurekalert.org/pub_releases/2020-08/miot-crm082420.php
8. https://techbeacon.com/security/waiting-quantum-computing-why-encryption-has-nothing-worry-about