图：量子芯片

幼儿园小朋友算算数时，用的是掰手指头的方法来计算。掰手指头算算数，虽然又原始又缓慢，但它与太湖之光超级计算机的本质一样，都属于经典计算的范畴。虽然芯片中的每一个晶体管已经做得比病毒还要小，但是，这些晶体管依然是完全受控的。它们与手指头一样，都是受经典物理学定律指挥的。

与经典计算相对的，就是量子计算。

你可能听说过量子力学中的叠加态、测不准原理和量子纠缠这些奇怪的特性吧。量子计算机真的就是利用了量子力学的这些奇怪特性而设计出来的。

为了让大家能理解量子计算的独特之处，这里我们举几个高度简化的例子：

现在请你想一个 1 到 10 之间的数字，然后用一只手表示出来。我们可以用 5 根手指头表示出 1 到 5 ，然后用拇指和小指一起伸出来表示 6，拇指和食指一起，可以表示 8，如果表示 10，那就攥紧拳头就行了。

那么，请你回答，你用一只手，每一次到底能表达多少个数字呢？你肯定觉得这根本不是一个问题，一只手每次当然只能表达一个数字呗。没错，一只手在同一时间只能表达一个数字，这就是经典计算机存储数据的根本规律。计算机比我们的手指头更快，但它的一个比特位，仍然只能存储一个二进制数。

但是，如果换成量子计算机，那表达数字的方式立即就被颠覆了。现在，请把你刚刚用来表示数字的那只手踹在兜里，先别着急拿出来。请你想一想，你踹在兜里的这只手，如果伸出来之后，有可能表达出多少种数字呢？答案是 10 种可能。但是，在你真正把手伸出来表示一个数字之前，你的手会比出哪个数字，仍然是不确定的。这正是量子计算机的存储单元——量子比特的存储方式。它储存的不是具体的数据，而是所有可能出现的数据的出现概率。你也可以理解为，你踹在兜里的这只手，具有某种不确定性。所有你可以用这只手表达的数字，全部都叠加在一起了。你只用了一只手，就存储了 10 个不同的数字，每个数字出现的概率都是 10%，这就是量子比特的威力。

如果你觉得，同时存储 10 个数字，算不上什么神奇的事情，那是因为我们的一只手只有 5 根手指，而且编码的方式也不够好。如果我们用二进制来表示数字， 5 根手指就能同时存储 32 个数字。如果同时用两只手，那就可以同时存储 1024 个数字了。请看，这就是量子比特的威力所在。同样是 10 根手指，使用叠加态会让存储能力提升了足足 1000 倍，但它们使用的硬件资源却是完全一样的。

不仅如此，以后每增加一个量子比特，存储能力就能再提升一倍。按照这个规律增加下去，用不了多久，我们可以同时存储的数字总量，就比全宇宙的原子数还要多了。

上面咱们说的只是存储问题。光有超大的存储能力，还不能完全体现出量子计算机的强大来。我们再说说，量子计算机是怎么进行并行计算的。

量子计算机的并行计算

任何一次计算，都是把已知条件代入公式，然后通过计算得到结果。经典计算机上的已知条件，就是一个一个的确定的数字。把确定的数字代入公式，当然也只能得到确定的结果。一次计算，得到一个结果，这就是经典计算机的计算模式。

我们可以再打个比方，现在有一个黑盒子，左边伸出 1024 根电线头，右边也伸出 1024 根电线头。现在有人告诉你，其实只有一根电线是连通的，请问，你该如何找到这根连通的电线呢？如果使用经典计算机，我们只能一个一个地尝试。左边的 1 号线头和右边的 1 号线头试试，如果不行，就用左边的 1 号线头和右边的 2 号线头再试，直到找到答案为止。这种方法，最不幸的结果，就是可能要尝试 1024x1024 次，也就是大约 100 万次才能找到答案。

如果用量子计算机解决这个问题，就简单多了。刚刚我们说过，量子比特的存储，所有可能的数字，都是叠加在一起存储的。那么从 1 到 1024，其实就只是一组量子比特而已。也就是说，只需要一次计算，量子计算机就同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的电线。一次计算，量子计算机就通过并行计算，实现了 100 万倍的效率提升。

图：谷歌的量子处理器

超级强大的存储能力，加上只需要算一遍，就能得到全部结果的并行处理能力，以及每增加一个量子比特，能力就能增加一倍的神奇特性，让全世界都对量子计算机产生着强烈的期待。

量子计算的瓶颈

然而理想很丰满，现实却是骨感的。量子计算机的这些超能力，全部都建立在量子效应的基础上。量子效应最害怕的一件事情，就叫做波函数坍缩。

还记得被薛定谔关在封闭盒子里的那只可怜的猫吗？这只猫之所以能够处于生与死的叠加态，正是因为盒子与外界是完全隔绝的。任何测量，都能把这只量子猫一瞬间打回原形，让它呈现出要么活着，要么死了的平凡状态。

量子计算机的量子比特也存在这种问题。只要有一点点的风吹草动，这些量子比特就会立即坍缩成一个确定的状态。哪怕一组量子比特中装着海量的数据，只要你一测量，这些数据都会立即化为乌有，坍缩成一个具体的数字。

更过分的是，即便是计算结果，你都是没办法直接读出来的。比如，我们用量子计算机，来计算抛出硬币后，正面和背面出现的概率。量子计算机计算得出了 50% 这个结论。但是，这个结论却没办法输出出来。因为我们只要尝试读出结果，就会导致波函数坍缩。结果也就从正确的 50%，变成了不是 1，就是 0 的确定答案了。

科学家们为了正确地获得计算结果，竟然要把同一个计算重复上万遍，然后再把这上万个具体的 0 或者 1 统计一遍，才能重新得出 50% 这个计算结果。

另外一个严重影响量子计算的因素，是量子比特很难保持住量子纠缠的状态。量子纠缠状态又被称为相干性。一组纠缠在一起的量子中，只要有一个受到干扰，那么整组量子就会一起失去相干性，这种现象叫做退相干。相干性可以把量子比特的状态互相绑定在一起，这是实现量子算法的物理基础。而退相干则会让量子算法彻底失效。

2020 年 7 月 20 日，日本东北大学和悉尼新南威尔士大学的一项联合研究，把量子比特维持量子态或相干性的时间延长到了 10 毫秒 。这个成绩比以前的最好成绩，足足提高了 10000 倍[4]。

图：研究人员采用的核心技术——基于受体的自旋轨道量子位（艺术概念图）

现在你应该大致了解，谷歌公司是在何等艰苦的条件下，完成了对二氮稀分子的模拟了吧。他们必须在千分之几毫秒的时间内，把二氮稀的演化算法重复上万遍。而且，他们必须要用大量冗余的量子比特来处理信息，以防某一个量子比特因为波函数坍缩而失去了计算能力。这就是 53 量子比特的量子计算机，只能拿出 12 个有效的量子比特来进行计算的真正原因。

量子计算机的设计难度

很多人喜欢拿经典计算机的摩尔定律来套量子计算机。他们以为去年制造出了 53 量子比特的量子计算机，今年就应该把指标提高到 106 量子比特，后年就应该是 212 个量子比特。其实，大部分人都低估了量子计算机的设计难度。

经典计算机的芯片之所以能符合摩尔定律，是因为制造芯片的技术储备已经成熟，只差技术细节的积累和突破了。但是量子计算机的处境却完全不一样。我们只是确认了量子计算机的设计理论正确无误，但是却没能确定，量子计算机该走什么样的技术路线。

用经典计算机来打个比方。这就好比我们已经知道制造计算机是可行的，但是我们还没发明出电子管和晶体管来。这时候，到底用哪种机械装置来实现计算机，就是一个大问题了。现在量子计算机所处的阶段，大概就相当于发明了手摇加法器的年代。

你还真别觉得夸张，现在至少有 20 种不同的量子计算机制造方案。每一种方案，都在某一个方向上具有一点独特的优势。

比如，通过小型超导电路制造的超导量子计算机，有着比较容易创建量子比特的优势。现在谷歌和IBM用的都是这个方案。但是，超导量子计算机也有明显的劣势，那就是必须要维持一个低温超导环境，才能够顺利地运行。而且，这些量子比特也比较容易受到噪声的干扰。

微软公司比较热衷于制造拓扑量子计算机，根据这项技术的数学理论，这种技术方案可以有效地抵抗外界噪声，延缓坍缩和退相*发生。不过，这项研究目前仍然处在数学阶段，还没有真实的计算机造出来[5]。