量子芯片，終于有用武之地了

“想象一下，一個(gè)可以放在你手掌中的芯片，卻能夠解決當(dāng)今地球上所有計(jì)算機(jī)加起來(lái)都無(wú)法解決的問(wèn)題。”這是今年年初，微軟發(fā)布Majorana 1 量子芯片時(shí)，其CEO薩提亞納德拉（Satya Nadella）在社交媒體上的發(fā)言，他提到該芯片的突破“將使人們能夠在幾年內(nèi)創(chuàng)造出真正有意義的量子計(jì)算機(jī)，而不是像一些人預(yù)測(cè)的幾十年內(nèi)”。

但是量子芯片也好，量子計(jì)算機(jī)也罷，到底能干什么？能對(duì)人類(lèi)現(xiàn)在的生活有什么提升？谷歌已經(jīng)嘗試給出回答。

01

量子優(yōu)勢(shì)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

當(dāng)我們說(shuō)到量子，你會(huì)想到什么？量子的糾纏，還是量子傳說(shuō)中的計(jì)算能力？

沒(méi)錯(cuò)，量子計(jì)算機(jī)的速度遠(yuǎn)超一般的電腦、手機(jī)或當(dāng)代最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗玫牟皇乾F(xiàn)在GPU等AI芯片、數(shù)據(jù)中心以及手機(jī)電腦等經(jīng)典計(jì)算都使用的比特，而是量子比特（qubit），即量子位，它能夠同時(shí)處于0和1的疊加狀態(tài)。

這意味著量子比特可以比經(jīng)典比特同時(shí)表示更多信息，從而算力更高、速度更快，在因數(shù)分解等部分問(wèn)題上，量子計(jì)算能指數(shù)級(jí)地提升計(jì)算效率。

但在量子計(jì)算誕生之前，我們更熟悉的名詞應(yīng)該是“量子力學(xué)”，它才是量子計(jì)算得以誕生的物理學(xué)理論基礎(chǔ)，也與它本次首次現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有莫大關(guān)聯(lián)。

量子力學(xué)是研究微觀世界的物理學(xué)理論，此處的微觀世界是指小于一個(gè)原子的空間，其中有粒子、光子、電子、中子、質(zhì)子等物質(zhì)，它們都遵從量子力學(xué)。但“量子”一詞只是一個(gè)概念，并非特指一個(gè)物體，它原本是指光里面的一份一份的能量，后來(lái)所有遵從量子力學(xué)的東西都被叫作量子。

重點(diǎn)在于，遵循量子力學(xué)的微觀世界與遵從牛頓力學(xué)的宏觀世界大相徑庭。

在牛頓經(jīng)典理論框架下，一切事物都有明確的性質(zhì)，你是靜止還是運(yùn)動(dòng)，一目了然；而量子力學(xué)中最著名的原理之一是“海森堡不確定性原理”。

在量子世界里，物體的位置和動(dòng)量無(wú)法被同時(shí)測(cè)準(zhǔn)，粒子不存在一個(gè)確定的狀態(tài)，不具有固定的位置或能量等，它可以處于一切可能的狀態(tài)和位置。因此，量子物體在本質(zhì)上是概率性的，科學(xué)家需要計(jì)算物體處于不同狀態(tài)中的概率。

還有個(gè)經(jīng)典理論“量子糾纏”——在許多文藝作品中它常常會(huì)作為“神秘力量”而出現(xiàn)。

以雙粒子為例，當(dāng)兩個(gè)同時(shí)處于疊加態(tài)的粒子發(fā)生糾纏時(shí)，會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)：無(wú)論兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，哪怕一個(gè)在地球，另一個(gè)在月球，只要沒(méi)有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)，B粒子一定處于1態(tài)，反之亦然。

這種相隔甚遠(yuǎn)的兩個(gè)物體可以瞬間影響彼此狀態(tài)的奇妙現(xiàn)象聽(tīng)上去不可思議，但卻都在幾十年內(nèi)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證過(guò)，學(xué)界甚至認(rèn)為，量子力學(xué)可以稱為有史以來(lái)最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論。

既然我們知道兩個(gè)粒子之間的變化可能，那當(dāng)無(wú)數(shù)個(gè)粒子糾纏在一起時(shí)，會(huì)發(fā)生什么更復(fù)雜、更奇妙的事情？谷歌正在利用最先進(jìn)的量子技術(shù)去探索和量化“量子力學(xué)”本身在復(fù)雜系統(tǒng)中表現(xiàn)出的新現(xiàn)象和新規(guī)律，并為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提出新解法。

02

量子世界的“時(shí)間倒帶”

把一杯清水和一杯墨水混合后，它們能瞬間自動(dòng)分離，變回一杯清水和一杯墨水嗎？還是那句話，在遵從牛頓力學(xué)的宏觀世界里這是天方夜譚，但在量子世界中，“時(shí)間倒帶”是可行的。

最近谷歌量子團(tuán)隊(duì)的最新研究成果登上了《自然（Nature）》的封面，團(tuán)隊(duì)提出“量子回聲”（Quantum Echoes）演算法，并第一次在實(shí)際可驗(yàn)證的任務(wù)中展現(xiàn)出量子優(yōu)勢(shì)。

科學(xué)家其實(shí)一直想用電腦模擬分子的結(jié)構(gòu)或形狀，這是研究化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，這方面的進(jìn)步支持著從生物技術(shù)、太陽(yáng)能到核融合等領(lǐng)域的發(fā)展。

科學(xué)家一般用核磁共振（NMR）來(lái)觀察分子結(jié)構(gòu)，它就像一個(gè)分子顯微鏡，強(qiáng)大到足以讓人類(lèi)看到原子的相對(duì)位置，幫助我們理解分子的結(jié)構(gòu)。但是有些分子里的量子糾纏實(shí)在太復(fù)雜，哪怕用NMR也看不清大型分子中遠(yuǎn)距離原子的互動(dòng)，信號(hào)會(huì)糊成一團(tuán)。哪怕給超級(jí)計(jì)算機(jī)也得算個(gè)幾萬(wàn)年。

谷歌首席執(zhí)行官桑德?tīng)枴てげ橐粒⊿undar Pichai）與量子計(jì)算系統(tǒng)

谷歌量子團(tuán)隊(duì)就想出一個(gè)辦法，他們?cè)谧约业牧孔有酒癢illow”上，先對(duì)某個(gè)量子比特下指令，就像在山谷里大喊一聲作為標(biāo)記；接著就讓整個(gè)量子系統(tǒng)自然而然地演化，讓這個(gè)“聲音標(biāo)記”，也算是某種量子信息標(biāo)注，像漣漪一樣擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。

等演化到一半，研究人員會(huì)去戳一下遠(yuǎn)處的量子比特，制造出一些干擾，就像好好一個(gè)空間內(nèi)突然有人敲了一聲鼓。

再回憶一下重點(diǎn)：量子計(jì)算機(jī)有時(shí)間倒帶的能力！因此在上述干擾出現(xiàn)后，研究人員會(huì)模擬時(shí)間倒流，把已經(jīng)擴(kuò)散開(kāi)去的量子信息標(biāo)注重新聚焦回來(lái)，這一過(guò)程仿佛時(shí)間按下了倒帶鍵。最后研究人員要去檢查最初被下指令的量子比特，看它有沒(méi)有變化——這么說(shuō)來(lái)像不像一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)？

沒(méi)錯(cuò)，這種“量子回聲”演算法代表的正是一種新形態(tài)的挑戰(zhàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)可沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)這種獨(dú)特的物理特性。最厲害的是，研究團(tuán)隊(duì)能讓這種量子系統(tǒng)先正向演化，然后施加一個(gè)操作，再反向演化的“演化—擾亂—倒帶”流程來(lái)回跑好幾次。

另一個(gè)值得注意的是，這個(gè)“量子回聲”非常特別，因?yàn)樗鼤?huì)被“建設(shè)性干涉” 放大，這是一種量子波疊加后變得更強(qiáng)的現(xiàn)象，這使得團(tuán)隊(duì)的測(cè)量結(jié)果更精準(zhǔn)。

不過(guò)大家還是會(huì)一頭霧水：“這到底是要研究什么？”其實(shí)也很簡(jiǎn)單，就是量子比特的最初標(biāo)記能不能完美復(fù)現(xiàn)。如果能，那就說(shuō)明中途的干擾沒(méi)有任何影響；如果“回聲”變了，那變化的程度就是要測(cè)的物理量，叫作 “非時(shí)序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC）”。

03

充當(dāng)“超精密分子尺”

破解現(xiàn)實(shí)瓶頸

研究團(tuán)隊(duì)用65個(gè)量子比特，跑了23次OTOC測(cè)算，速度比目前最強(qiáng)超級(jí)電腦“Frontier”快了13000倍。它確實(shí)很厲害，但是該怎么用到分子結(jié)構(gòu)模擬上呢？

前面也提到過(guò)NMR有點(diǎn)“近視”，對(duì)于它看不清的部分，“量子回聲”就要充當(dāng)“超精密分子尺”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)把量子計(jì)算機(jī)當(dāng)作一個(gè)“可調(diào)節(jié)”的分子模型，而OTOC則像是一個(gè)精密的“探測(cè)器”。通過(guò)使用OTOC，研究團(tuán)隊(duì)可以精確測(cè)量出量子系統(tǒng)對(duì)微小擾動(dòng)的響應(yīng)，并將這種“回聲”與真實(shí)分子系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行比較。

通過(guò)不斷調(diào)整量子模型的參數(shù)，直到它的“回聲”與真實(shí)分子的“回聲”完全一致，就能確認(rèn)量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成功地復(fù)現(xiàn)了目標(biāo)分子的量子行為。

這種方法使得研究者可以用量子計(jì)算機(jī)更加精確地模擬和理解復(fù)雜的分子系統(tǒng)。舉個(gè)例子，固態(tài)電池研究難點(diǎn)之一就是不知道固態(tài)電解質(zhì)與電極材料接觸后發(fā)生的具體變化，如果“量子回聲”演算法能測(cè)量更復(fù)雜的變化，將會(huì)真正解決這一難題。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計(jì)算、ICT領(lǐng)域、消費(fèi)電子，商業(yè)故事。《中國(guó)知網(wǎng)》每周全文收錄；中國(guó)科技報(bào)刊100強(qiáng)；2021年微博百萬(wàn)粉絲俱樂(lè)部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者