一片“蓝海”：量子计算机的灿烂前景

文 韩 雪 姚建兴 王微粒

蓝海，原意是指未知的市场空间，引申为科学的新兴领域。量子计算机，就是一片神秘的“蓝海”。

它是笼罩在经典物理学天空上的一朵乌云，却催开了现代物理学的畅想之花；它是物理学概念中的最小单位，却成就了迄今为止世界上运算速度最快的计算机；它看不见、摸不着，甚至还有些不可理喻，却吸引了无数科学家为之痴迷。

据报道，2021年5月，中国科学技术大学成功研制出62比特量子计算原型机“祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系诞生。在此之前，该团队研制的“九章”光量子计算原型机，比现有最强的超级计算机运算速度快100亿倍。

由于量子计算机的强大算力和对国家安全、社会经济的巨大作用，量子计算机成为各国争相研究的重大课题。

“遇事不决，量子力学”

量子，最小的不可分割的基本物理单位。

在大多数人眼里，量子就是神秘、玄妙的代名词——“遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空。”在人们的日常生活中，当遇到那些无法用常理解释的事情时，常常会“甩锅”给量子力学。

量子，人类对未知力量想象力的“天花板”。在人类所能认识到的宇宙规律里，它似乎已成为神秘且万能的代名词。

说它神秘，是因为它有违常理。在人们的理解中，不管什么物体，在哪里、跑多快，都是确定的、能观测出来的。但在量子的微观世界里，就会显现出它的“不靠谱”：一个量子在某一瞬间可能在这里，也可能在那里，完全随机，“不按常理出牌”。

1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了一个著名的思想实验：把一只猫关在一个盒子里，盒子里有毒气瓶，瓶上有一个锤子，锤子由一个放射性原子的电子开关控制。如果原子核衰变，则触动电子开关，释放毒气，猫必死无疑。根据日常经验，猫或者死或者活，只有这两种状态。可是，如果用薛定谔方程描述，只要不揭开盖子，这只猫就一直沉睡在量子的叠加态中，处在既生又死的状态。

在量子面前，世界再也不是那个确定的、客观的、实在的熟悉世界，只有去观测量子，它才会从随机状态坍缩成某种固定状态。这种微观的不确定原理，彻底颠覆了人们的逻辑感知。

事实上，人类对量子的研究，就是在这样的迷惑和不解中走过。100多年里，人类最智慧的头脑都被这个微小粒子所牵动：普朗克、波尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、波恩、泡利、狄拉克……对于量子，科学家们有的嘲讽、有的怀疑，有的笃定。物理学家理查德·费曼曾感慨：“谁要是说他理解了量子力学，那就表明他还没理解。”但无论人们理解、支持与否，科学就是科学，量子还是量子。

光量子干涉实物图（图片来自中国科技大学官网）

在科学面前，人类是渺小的。哪怕再智慧的头脑，也会有困惑。对于量子，爱因斯坦曾抛出世人皆知的那句话：“上帝是不掷骰子的。”波尔却反击道：“你没法告诉上帝该做什么。”

那么“上帝”到底该做什么？或许，他也正处在“掷与不掷骰子”的叠加态。又或者，这个问题，只能交给量子力学来回答。毕竟，“遇事不决，量子力学”。

“路转溪桥忽见”

智者总能在时代浪潮中立起驶向未来的桅杆。

“人类应该考虑量子计算机了！”1982年，美国加州理工学院的一场报告会上，物理学家费曼提出了这一简直是“天方夜谭”的论断。当时，个人电脑的概念才刚刚问世，普及大众还要再等10年。

然而，随着计算机元器件越做越小、集成度越来越高、速度越来越快，人们在经历最佳算力的狂欢之后，才最终发现：当初的“天方夜谭”是对的——万物总有极限，元件的大小不可能一小再小。也许到2025年，传统计算机的速度提升之路将会走到尽头。

是时候走上30多年前费曼指出的那条路了。

宛如一程崎岖的山路，当经典物理看似走到尽头时，是量子理论在转弯处将人们引上现代物理学的大道。同样，当传统计算机遭遇算力“天花板”时，又是量子计算机让人们“路转溪桥忽见”。

如果说经典计算机是“蜡烛”，量子计算机就是“电灯”，二者都是为了发光，但点亮方式完全不同，照亮范围也有区别。即使你不断地改良蜡烛，也不可能成为电灯。而这只“电灯”刚一问世，就发出了远超“蜡烛”的光芒。

2019年9月，科研人员在量子计算机上运行随机量子线路采样任务，并与模拟超级计算机的计算进行对比，最终得出结论：量子计算机用时200秒完成的计算，如果用当时最强大的超级计算机计算，则需花费上万年才能完成。

碾压的奥秘何在？如果我们让传统计算机走迷宫，它会沿着一条路一直走；如果不对，再折返回来尝试下一条，直到找到正确通路。可对于量子计算机而言，它只需走一次。因为量子叠加态的特性，量子计算机仿佛吹一根毫毛变出千万个分身的“美猴王”，它们齐头并进可一次搞定。

可以说，不是超强算力选择了量子计算，而是量子计算在“襁褓”中就具有超强算力。

当然，量子计算机也有自己的“小脾气”。它最大的问题，在于不够稳定。经典计算机不管算出什么结果，都可马上输出。但量子计算机无论是计算过程还是计算结果，都处于叠加态，这些数据就像一只高度敏感的刺猬，稍有风吹草动，整个量子叠加态就会马上坍缩，从而湮灭正确结果。

“星星之火，可以燎原”

我们可以这样理解，量子计算这一技术本身，也处于量子叠加态：既取得了阶段性重大突破，又刚刚拉开序幕。

如今，借助量子计算机，人类可以模拟一些蛋白分子折叠情况，帮助治疗阿尔茨海默症、帕金森综合征等，还可从体量巨大、结构繁多的数据中心，挖掘规律、发现模式，从而找到复杂区域的最优解，找到某种材料的最稳定状态。

今后，量子计算机在计算“可能、概率、随机”等问题时的超强算力，很有可能解决科学家在材料、制药、数学等领域的长期难题。可以预见，在个人订制药物、应对气候变化、消除交通拥堵、打造更安全的密码体系、设计新材料，甚至是寻找“另一个地球”等方面，量子计算机将成为人类最有力的帮手。

但理想越丰满，现实越“骨感”。量子计算机的研发，并非一路坦途。

“九章”量子计算机的设计师这样形容它的操作难度：“我们需要50路光子同时通过20米的光层，每一路都要保持25纳米的精度。这相当于让50匹马一起跑过100公里，必须同时到达，且每匹马的奔跑距离都不能超过一根头发丝的误差。”

同时，为了让量子比特保持量子特性，量子计算机需要用强力冷却装置保持绝对零度（-273℃）才能正常工作。这就使得它的造价格外昂贵。据报道，美国研发和建造一台量子计算机的前期费用，就已达100亿美元。

而且，要想研发出通用型量子计算机，起码要上千万个量子比特。就专用量子计算机“九章”而言，仅仅有76个量子比特。人类目前的科技水平，研发通用机还有很长的路要走。

量子计算机，这位人类的新朋友，充其量只能算作浩渺宇宙中的“几点星火”，虽有光亮，但很微弱。然而，我们坚信“星星之火，可以燎原”——通过对量子计算机的深入研究与探索，必然点燃人类通往未知世界的熊熊火炬，照亮其中隐藏的自然法则。

量子计算机如同人类头顶那片璀璨的“蓝海”。“蓝海”很美，但通往“蓝海”的前路注定艰难；“蓝海”很远，但通往“蓝海”的航程已经开启。