量子科技科普：量子计算机、量子霸权与量子位

量子科技科普：量子计算机、量子霸权与量子位
“如果你在新闻中看到有人成功制造出了量子计算机的话，你最好立刻冻结自己的信用卡。

”今年4月，中科院物理所发表的一篇文章如此写道。

因为，在量子计算机之下，起到保护作用的加密技术将能被轻易破解。

什么是量子计算机？
9月23日，NASA发表的一篇论文表明，谷歌实现了“量子霸权”。

一个月后的10月24日，《自然》重新发表修订后的论文，名为《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》，正式揭开了谷歌的“量子霸权”。

1 为什么这么强？
有人用一个很精巧的比喻说：量子计算机现在所处的阶段，就如同经典计算机在上世纪50年代初的发展阶段。

的确如此，甚至细节上都有对应。

计算机的发明人之一冯·诺伊曼，他在验证一台早期计算机的普适性时，第一次认真地写出了一个程序，但他不是为了应用于数字处理，而是给数字进行了有效的分类。

以当时的眼光看，那也没有任何的实用价值。

但在今天，没人怀疑计算机是一项伟大发明。

“量子计算机”同样如此，无论在量子力学理论上，还是在工程实现技术上，它都有很多难关要闯，但却被科研者们寄予了超越经典计算机的希望。

量子计算机潜在的压倒性优势，在于量子本身的特殊性质。

我们知道，信息学是计算机科学下的一个基础学科，最小的信息单元叫“比特”。

在传统计算机中，所依赖的是设置为0或1的“位”信息，对应的值不是0就是1。

量子比特的“位”却有“叠加态”，即同一个“位”的信息，可以是1，也可以是0，还可以是1与0的任意组合。

简单说，量子位是一个双态量子系统（例如光子偏振态或者电子自旋态），它能处于一种用经典物理无法解释的奇妙状态：“0与1的叠加”（图源：麻省理工学院）
简单回顾一下大学物理，从1900年普朗克创立量子学说，到1925年薛定谔总结出波动力学，对物理学科是一次颠覆性的冲击。

它是被实验给“逼”出来的，一批年轻的科学家发现，微观世界的“量子存在”，完全悖于我们的现实经验。

比如一团自旋中的电子，它们有各自的运动方向、偏转角度，在理论上可以通过一个足够小的“孔洞”，筛选出一定偏振的电子。

但实验发现，筛选过后的电子束，同样具备它们原先的运动方向、偏转角度。

其“存在的状态”并不一定，而是叠加起来的。

量子存在的状态叠加，最经典的模型是薛定谔猫。

假设那是一只量子状态中的猫，那么它既可以是活的，也可以是死的。

常识上，一只既死又活、不死不活的猫难以被人接受，但那就是量子存在的实情。

量子位具备的叠加态，也就意味着每个量子位的数据存储能力能够翻倍。

一台64量子位的计算机可以存储18 quintillion的数字，其中1 quintillion等于10的20次方。

量子位继续增加时，系统存储的信息量就会呈指数方式增加（图源：S. Debnath and E. Edwards/联合量子研究所）
另一方面，通过量子纠缠，我们能够实现光速操作。

对一个量子位的控制，会影响到被纠缠的量子位，也就实现了对量子位处理能力的并行控制。

打个比喻说，在执行指令时，量子计算机就像实现了“影分身之术”，每个量子位都能够并列执行，导致了计算能力的大幅提升。

例如，一台10量子位量子计算机可以一次处理最多的1024个可能的输入，而不是一次分析一个输入。

不难看出，能够操纵的量子位越多，意味着“分身”越多，量子计算机就越强大。

科学理论界的估计是，在能够操纵的量子位超过50个时，量子计算机的计算能力，将远远超过经典计算机。

尽管难关重重，但诱惑很大。

2011年，理论物理学家John Preskill提出了“量子霸权”的概念，根据定义，量子计算设备可以超越经典计算设备，解决后者无法解决的计算任务。

在这条探索道路上，谷歌开发的“Sycamore”成为了一个里程碑事件。

谷歌量子计算机的Sycamore处理器
2它能用作什么？
量子计算机的研发还在起步阶段，它的前途未可限量。

在经典计算机时代，仙童公司的创始人之一摩尔在1965年预言说，每过18个月，集成电路的价格降低一半而性能增加一倍。

这就是著名的“摩尔定律”。

此后的半个多世纪，应验了“摩尔定律”。

对今天的消费者来说，他们购买的最
新型电脑，往往会比几年前的电脑有质的超越。

对于量子计算机，谷歌的态度非常乐观。

论文表明，他们认为量子处理器的计算能力，或许会遵从“量子摩尔定律”，意即“指数级别的、加强版本的摩尔定律”，计算能力每几年就翻一倍，或许距离有实用价值的应用只差一个创造性的算法了。

但是，差的这一步，也是最难的一步。

如前文所述，量子学说是被实验给“逼”出来的，用来解释经典理论无法解释的实验现象。

它是以可观测量为依据，从而创建的学科，表明了科学界在面对微观世界的原理时，无从下力的窘境。

因此，量子学说还有很多“疑难杂症”，它远远没被人类认识和掌握。

创始人之一玻尔就说过：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。

”
理论的匮乏，导致两大工程难题：一是，量子计算机指数级别的计算能力以外，它也有指数级别的出错率，如何实现它自身的纠错能力？
二是，量子对外界极为敏感，轻微的外部环境改变，也会导致它的“退化”，失去了它的叠加态，出色的计算能力也就无从谈起。

所以它们必须完全绝缘，目
前的做法是用超低温来放慢原子的移动速度，相当不经济。

谷歌的量子至尊低温恒温器内含“Sycamore”，利用超低温来放慢原子的移动速度因为有理论实现和工程实现的两大困境，即便是最乐观的观点，也认为量子计算机距离实用至少还有5-10年。

最悲观的人，则认为它遥遥无期。

只是，量子学说的困境中，也可以看到好的一面。

谷歌首席执行官Sundar Pichai在接受采访时说：“其实量子计算真正令人兴奋的地方在于，根据已有的物理理论，我们所处的宇宙在最根本的层面上遵循量子法则，因此早期的量子计算应用能帮助我们更好地了解宇宙的工作方式”。

也就是说，量子学说与它的应用可以相互促进，帮助我们洞悉微观世界的奥秘，乃至于理解宇宙、理解生命。

因此，在生命科学方面的应用，也即药物研发方面的应用，被看作量子计算机的优势之一。

薛定谔在《生命是什么》中谈到，生命的来源和运作，在根本上是服从量子力学的。

这涉及到分子生物学方面的知识。

谷歌CEO Sundar Picha在谷歌实验室，与电脑专家展示一台量子计算机
我们知道，生命最重要的两个基础物质是氨基酸和DNA，它们都是生物大分子。

薛定谔表明，对一个系统来说，n表示它的微粒数量，1/√n即表示它的出错率。

显然n越大时，系统越能精确运转而不出错。

正是构成我们身体的微粒数量（n）足够大，它才能够稳定，表现为概率最大的“此时此地此身”。

当然，这也导致我们不能从经验中体验到量子世界。

对于生物大分子来说，薛定谔表明，它的运作是服从量子力学的，我们可以从能级跃迁、量子纠缠等理论，重新梳理化学中的“化学键”、同分异构体等概念。

所以，对生命物质和过程的模拟，量子计算机显然有着先天优势。

3又一个“潘多拉魔盒”？
时至今日，我们已经知道，新的技术并不一定带来时代的进步，至少不是它的创始者们所设想的进步。

相反，它往往伴随着新的危险。

比如互联网技术，初心是为了让世界去中心化、扁平化，但如今在它之上树立起了高不可攀的寡头。

又比如说区块链技术，据称是要建立起信用机制，但在目前最成功的应用场景“数字货币”，却成为了圈钱工具。

量子计算机虽未成熟，但对它可能发挥的益处，人们已经浮想联翩。

同时它所潜在的威胁，也无不令人担忧。

如前文所说，我们或将不得不去“冻结”信用卡。

何况，事实已经证明，我们对未来技术的想象是很匮乏的。

当它成熟时，谁有能力、有权力运行它？它会不会成为拥有者实行“降维打击”的武器呢？
接受采访时，谷歌首席执行官Sundar Pichai说，开发新技术所伴随的风险断然是高的，但对于其中的一部分，我们或许能通过采用“正确的发展道路”来避免。

他提到，能帮助我们实现这一效果的途径，就是“全球管理统一化和详尽的道德协议”。

还有部分观点认为，当前对“量子霸权”的解读，其实有夸大嫌疑。

他们认为，更正确的翻译应是“量子优势”，即量子计算机只在一些特定场景上胜过经典计算机，但在将来，两者是并存的关系。

所以人们不必过分忧惧。

但是，目前已经证明，量子计算机拥有超大的存储能力和超强的运算能力，不会因为现有的场景限制，就断送它的无限可能。

同样，它也不会因为无法量产、拥有者少，就从“霸权”降级为所谓“优势”。

事实上，我们不得不防。

早在去年12月，量子计算领域还在竞逐之际，美国国家科学院（NAS）的一份报告就表示，随着量子计算机逐渐成为可能，政府应该优先考虑潜在的后果，为网络安全面临的威胁做好准备。

报告认为，鉴于代码破解机器的潜在威胁，应该立即开始准备量子安全加密方法的工作。

从19世纪起，科技成为了改造世界的一双“翻云覆雨手”。

在将来，或许我们能够安全落地在“正确的发展道路”，但也不排除如核威胁那样的昨日重现的可能。

人们对待新技术的态度，有如对待“恋人”：怕它不来，又怕它乱来。

作者：南风窗（来自豆瓣）。