量子芯片，終于有用武之地了

“想象一下，一個可以放在你手掌中的芯片，卻能夠解決當今地球上所有計算機加起來都無法解決的問題。”這是今年年初，微軟發布Majorana 1 量子芯片時，其CEO薩提亞納德拉（Satya Nadella）在社交媒體上的發言，他提到該芯片的突破“將使人們能夠在幾年內創造出真正有意義的量子計算機，而不是像一些人預測的幾十年內”。

但是量子芯片也好，量子計算機也罷，到底能干什么？能對人類現在的生活有什么提升？谷歌已經嘗試給出回答。

01

量子優勢照進現實

當我們說到量子，你會想到什么？量子的糾纏，還是量子傳說中的計算能力？

沒錯，量子計算機的速度遠超一般的電腦、手機或當代最強超級計算機，因為它用的不是現在GPU等AI芯片、數據中心以及手機電腦等經典計算都使用的比特，而是量子比特（qubit），即量子位，它能夠同時處于0和1的疊加狀態。

這意味著量子比特可以比經典比特同時表示更多信息，從而算力更高、速度更快，在因數分解等部分問題上，量子計算能指數級地提升計算效率。

但在量子計算誕生之前，我們更熟悉的名詞應該是“量子力學”，它才是量子計算得以誕生的物理學理論基礎，也與它本次首次現實應用有莫大關聯。

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

重點在于，遵循量子力學的微觀世界與遵從牛頓力學的宏觀世界大相徑庭。

在牛頓經典理論框架下，一切事物都有明確的性質，你是靜止還是運動，一目了然；而量子力學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，物體的位置和動量無法被同時測準，粒子不存在一個確定的狀態，不具有固定的位置或能量等，它可以處于一切可能的狀態和位置。因此，量子物體在本質上是概率性的，科學家需要計算物體處于不同狀態中的概率。

還有個經典理論“量子糾纏”——在許多文藝作品中它常常會作為“神秘力量”而出現。

以雙粒子為例，當兩個同時處于疊加態的粒子發生糾纏時，會形成一個雙粒子的疊加態：無論兩個粒子相距多遠，哪怕一個在地球，另一個在月球，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子一定處于1態，反之亦然。

這種相隔甚遠的兩個物體可以瞬間影響彼此狀態的奇妙現象聽上去不可思議，但卻都在幾十年內經過實驗反復驗證過，學界甚至認為，量子力學可以稱為有史以來最為嚴謹的科學理論。

既然我們知道兩個粒子之間的變化可能，那當無數個粒子糾纏在一起時，會發生什么更復雜、更奇妙的事情？谷歌正在利用最先進的量子技術去探索和量化“量子力學”本身在復雜系統中表現出的新現象和新規律，并為現實問題提出新解法。

02

量子世界的“時間倒帶”

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

最近谷歌量子團隊的最新研究成果登上了《自然（Nature）》的封面，團隊提出“量子回聲”（Quantum Echoes）演算法，并第一次在實際可驗證的任務中展現出量子優勢。

科學家其實一直想用電腦模擬分子的結構或形狀，這是研究化學、生物學和材料科學的基礎，這方面的進步支持著從生物技術、太陽能到核融合等領域的發展。

科學家一般用核磁共振（NMR）來觀察分子結構，它就像一個分子顯微鏡，強大到足以讓人類看到原子的相對位置，幫助我們理解分子的結構。但是有些分子里的量子糾纏實在太復雜，哪怕用NMR也看不清大型分子中遠距離原子的互動，信號會糊成一團。哪怕給超級計算機也得算個幾萬年。

谷歌首席執行官桑德爾·皮查伊（Sundar Pichai）與量子計算系統

谷歌量子團隊就想出一個辦法，他們在自家的量子芯片“Willow”上，先對某個量子比特下指令，就像在山谷里大喊一聲作為標記；接著就讓整個量子系統自然而然地演化，讓這個“聲音標記”，也算是某種量子信息標注，像漣漪一樣擴散開來。

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

再回憶一下重點：量子計算機有時間倒帶的能力！因此在上述干擾出現后，研究人員會模擬時間倒流，把已經擴散開去的量子信息標注重新聚焦回來，這一過程仿佛時間按下了倒帶鍵。最后研究人員要去檢查最初被下指令的量子比特，看它有沒有變化——這么說來像不像一個物理實驗？

沒錯，這種“量子回聲”演算法代表的正是一種新形態的挑戰。經典計算機可沒有量子計算機這種獨特的物理特性。最厲害的是，研究團隊能讓這種量子系統先正向演化，然后施加一個操作，再反向演化的“演化—擾亂—倒帶”流程來回跑好幾次。

另一個值得注意的是，這個“量子回聲”非常特別，因為它會被“建設性干涉” 放大，這是一種量子波疊加后變得更強的現象，這使得團隊的測量結果更精準。

不過大家還是會一頭霧水：“這到底是要研究什么？”其實也很簡單，就是量子比特的最初標記能不能完美復現。如果能，那就說明中途的干擾沒有任何影響；如果“回聲”變了，那變化的程度就是要測的物理量，叫作 “非時序關聯函數（OTOC）”。

03

充當“超精密分子尺”

破解現實瓶頸

研究團隊用65個量子比特，跑了23次OTOC測算，速度比目前最強超級電腦“Frontier”快了13000倍。它確實很厲害，但是該怎么用到分子結構模擬上呢？

前面也提到過NMR有點“近視”，對于它看不清的部分，“量子回聲”就要充當“超精密分子尺”。

簡單來說，研究團隊把量子計算機當作一個“可調節”的分子模型，而OTOC則像是一個精密的“探測器”。通過使用OTOC，研究團隊可以精確測量出量子系統對微小擾動的響應，并將這種“回聲”與真實分子系統內的反應進行比較。

通過不斷調整量子模型的參數，直到它的“回聲”與真實分子的“回聲”完全一致，就能確認量子計算機已經成功地復現了目標分子的量子行為。

這種方法使得研究者可以用量子計算機更加精確地模擬和理解復雜的分子系統。舉個例子，固態電池研究難點之一就是不知道固態電解質與電極材料接觸后發生的具體變化，如果“量子回聲”演算法能測量更復雜的變化，將會真正解決這一難題。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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