作者：Frank Wilczek
翻译：胡风、梁丁当
去年12月9日，谷歌推出了一款名为“Willow”的新型计算机芯片。它是最新的、也是迄今最强大的量子计算机的核心处理器，可以说是它的大脑。Willow芯片达成了量子计算领域孜孜以求的两大目标：在特定数学计算中展现出了超越传统计算机的明显优势，以及实现了有意义的纠错。这些成就究竟有多重要？对未来发展的意义又是什么？
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▲ 谷歌发布的Wiilow量子计算芯片
首先，究竟什么是量子计算机？今天的物理学家们认为，量子力学能够描述所有物质的行为。富有创造力的工程师们就是量子力学的杰出践行者。他们利用精心设计的、高度聚焦的激光，雕刻出数万亿个微小而精巧的半导体晶体管，这些晶体管构成了现代“传统型”计算机（包括笔记本电脑、工作站和超级计算机）的核心。从这些重要的层面上讲，所有的现代计算机都可以被视作是量子计算机。然而，如今我们常说的“量子计算机”，具有更加特殊和具体的含义。它特指那些利用不同逻辑状态的量子叠加进行计算的设备。下面，我将详细解释其中的两个关键概念。
逻辑状态是指由0和1构成的集合，它描述传统（非量子）计算机的内部状态。在物理上，0可以代表电子元件的低电压，而1则代表高电压；0和1也可以分别用来表示小磁针的指北或指南状态，或者是其他的物理状态。无论哪种形式，关键在于存在两个明确的不同选择。计算机在任一时刻的逻辑状态就是所有这些选择的集合。我们考虑一个极简单的计算机，它只有2个比特，它可能具有的逻辑状态是00、01、10和11。
量子叠加，这个微妙而美丽的概念，是量子理论的核心与灵魂。它值得我专门写一篇专栏来阐述——这个专栏很快就会与大家见面！不过在这里，我将简短、形象地为大家解释一下。
让我们把传统计算机每种可能的逻辑状态想象成一个大型管弦乐队中的不同乐器。传统计算机在不同的逻辑状态之间进行转换，就像管弦乐队中的不同乐器在轮流演奏。量子计算机就是将传统比特换成相同数量的量子比特。它也像是一个管弦乐队，但是它允许所有的乐器同时奏响！因此，要描述这个“量子管弦乐队”的演奏状态，我们需要指定每时每刻每件乐器的音量。
这个音乐的隐喻生动昭示了量子计算机的潜力与挑战。管弦乐队合奏的效果，无疑远胜过单个乐器逐一演奏。然而，倘若各种乐器间不能保持音调的一致与和谐，那么合奏便会沦为混乱的噪音。

▲ 由量子科学家“指挥”的“量子管弦乐队”
简而言之，关于量子计算机，既有好消息也有坏消息。好消息是，量子计算机因其状态更加复杂，能够更密集地存储信息；坏消息是，也正因为其状态复杂，量子计算机更容易出错。
量子工程师们在制造可靠的量子比特方面已经取得了显著进展，但仍然面临着极其艰巨的挑战。基于半导体技术的传统计算机，经过数十年的密集研究、开发和投资，它的领先地位难以撼动。在可预见的未来时间内，Willow（以及量子计算）仍将处于研究阶段。在实用方面，传统计算机仍然远远优于量子计算机。
Willow并不是一场革命性的突破。它拥有105个量子比特，这一数量相比基于同样技术的前一版量子计算机大约翻了一倍。在这类量子计算机中，量子比特是通过极其微小的超导线圈中的磁场方向实现的。
尽管这个量子“管弦乐队”的规模只是适度增加，但它的音域却获得了极大的拓展。也就是说，Willow相对上一版本显著提升了处理信息的能力，它能处理的信息在理论上是其前身的大约数亿亿倍，这也超越了任何传统的超级计算机。
然而，在实际应用中，我们远不能完全使用Willow的全部潜力。原因就好比，如果同时激活人脑的绝大多数细胞，会导致致命的癫痫发作；又或者，如果让超级计算机中的大多数晶体管同时运行，反而会变得一团糟，无法实现有组织的思考和处理。
衡量Willow进展的一个更恰当的标准是它进行突破性计算的能力。在这方面，Willow已经取得了多项令人印象深刻的成功，特别是在玻色采样和纠错方面，表现尤为突出。
玻色采样是一个关于生成统计分布的问题，它对量子过程来说非常自然，然而传统计算机却很难生成。Willow能够比最强大的传统超级计算机更快地解决这类问题，只需短短几分钟，就能完成传统计算机需要耗费宇宙寿命甚至更长时间才能完成的任务。这无疑是“量子优势”的一个惊人胜利。但这个胜利来地有点胜之不武，就像在一场射箭比赛中，箭射到哪儿，就把靶心画在哪儿。

▲ 玻色采样实验示意图
正如我之前提到的，量子计算机的运行就像管弦乐队的合奏，保持每个量子比特的“音准”至关重要。量子纠错就起着这个关键作用。简单来说，量子纠错通过对多个量子比特进行平均处理，从而得到一个更为可靠的输出结果。为了达到这个目标，进行平均计算的过程中所产生的额外噪声，最好不要超过它所消除的噪声量。在Willow之前，这一目标从未被实现。Willow展示了它能够通过纠错技术，在更长时间内保持量子比特的准确性。这是一个具有里程碑意义的成就。然而，它的应用目前还非常有限，因为要进行有用的计算，我们不仅需要保持数据的准确性，还需要对数据进行处理，并且是大规模地处理。
1929年，伟大的物理学家保罗·狄拉克曾写道：“我们已经完全知晓如何在数学上描述大部分物理问题和整个化学领域所需的基本定律。困难只在于，应用这些定律往往会导致过于复杂的方程，以至于无法求解。”
1981年，另一位伟大的物理学家理查德·费曼曾说：“该死的，自然可不是经典的！如果你想模拟自然，最好用量子模型！”
正如费曼设想的那样，量子计算机将有望实现狄拉克的愿景。未来的化学、生物化学和材料设计，可能会变得像现代建筑和飞机设计一样：作为对缓慢、麻烦且有时危险的真实实验过程的重要补充，我们可以通过计算，在虚拟现实中尝试和完善我们的想法。

所以，量子计算机的长期前景是光辉灿烂的。但是，无论那些相关的新闻报道让你感到如何震撼，Willow都只是我们在这条漫长且充满挑战的道路上迈出的一步。如果你想把它称为量子飞跃，请记住，真正的量子飞跃往往都是非常微小的。

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