量子芯片，终于有用武之地了

“想象一下，一个可以放在你手掌中的芯片，却能够解决当今地球上所有计算机加起来都无法解决的问题。”这是今年年初，微软发布Majorana 1 量子芯片时，其CEO萨提亚纳德拉（Satya Nadella）在社交媒体上的发言，他提到该芯片的突破“将使人们能够在几年内创造出真正有意义的量子计算机，而不是像一些人预测的几十年内”。

但是量子芯片也好，量子计算机也罢，到底能干什么？能对人类现在的生活有什么提升？谷歌已经尝试给出回答。

01

量子优势照进现实

当我们说到量子，你会想到什么？量子的纠缠，还是量子传说中的计算能力？

没错，量子计算机的速度远超一般的电脑、手机或当代最强超级计算机，因为它用的不是现在GPU等AI芯片、数据中心以及手机电脑等经典计算都使用的比特，而是量子比特（qubit），即量子位，它能够同时处于0和1的叠加状态。

这意味着量子比特可以比经典比特同时表示更多信息，从而算力更高、速度更快，在因数分解等部分问题上，量子计算能指数级地提升计算效率。

但在量子计算诞生之前，我们更熟悉的名词应该是“量子力学”，它才是量子计算得以诞生的物理学理论基础，也与它本次首次现实应用有莫大关联。

量子力学是研究微观世界的物理学理论，此处的微观世界是指小于一个原子的空间，其中有粒子、光子、电子、中子、质子等物质，它们都遵从量子力学。但“量子”一词只是一个概念，并非特指一个物体，它原本是指光里面的一份一份的能量，后来所有遵从量子力学的东西都被叫作量子。

重点在于，遵循量子力学的微观世界与遵从牛顿力学的宏观世界大相径庭。

在牛顿经典理论框架下，一切事物都有明确的性质，你是静止还是运动，一目了然；而量子力学中最著名的原理之一是“海森堡不确定性原理”。

在量子世界里，物体的位置和动量无法被同时测准，粒子不存在一个确定的状态，不具有固定的位置或能量等，它可以处于一切可能的状态和位置。因此，量子物体在本质上是概率性的，科学家需要计算物体处于不同状态中的概率。

还有个经典理论“量子纠缠”——在许多文艺作品中它常常会作为“神秘力量”而出现。

以双粒子为例，当两个同时处于叠加态的粒子发生纠缠时，会形成一个双粒子的叠加态：无论两个粒子相距多远，哪怕一个在地球，另一个在月球，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态，反之亦然。

这种相隔甚远的两个物体可以瞬间影响彼此状态的奇妙现象听上去不可思议，但却都在几十年内经过实验反复验证过，学界甚至认为，量子力学可以称为有史以来最为严谨的科学理论。

既然我们知道两个粒子之间的变化可能，那当无数个粒子纠缠在一起时，会发生什么更复杂、更奇妙的事情？谷歌正在利用最先进的量子技术去探索和量化“量子力学”本身在复杂系统中表现出的新现象和新规律，并为现实问题提出新解法。

02

量子世界的“时间倒带”

把一杯清水和一杯墨水混合后，它们能瞬间自动分离，变回一杯清水和一杯墨水吗？还是那句话，在遵从牛顿力学的宏观世界里这是天方夜谭，但在量子世界中，“时间倒带”是可行的。

最近谷歌量子团队的最新研究成果登上了《自然（Nature）》的封面，团队提出“量子回声”（Quantum Echoes）演算法，并第一次在实际可验证的任务中展现出量子优势。

科学家其实一直想用电脑模拟分子的结构或形状，这是研究化学、生物学和材料科学的基础，这方面的进步支持着从生物技术、太阳能到核融合等领域的发展。

科学家一般用核磁共振（NMR）来观察分子结构，它就像一个分子显微镜，强大到足以让人类看到原子的相对位置，帮助我们理解分子的结构。但是有些分子里的量子纠缠实在太复杂，哪怕用NMR也看不清大型分子中远距离原子的互动，信号会糊成一团。哪怕给超级计算机也得算个几万年。

谷歌首席执行官桑德尔·皮查伊（Sundar Pichai）与量子计算系统

谷歌量子团队就想出一个办法，他们在自家的量子芯片“Willow”上，先对某个量子比特下指令，就像在山谷里大喊一声作为标记；接着就让整个量子系统自然而然地演化，让这个“声音标记”，也算是某种量子信息标注，像涟漪一样扩散开来。

等演化到一半，研究人员会去戳一下远处的量子比特，制造出一些干扰，就像好好一个空间内突然有人敲了一声鼓。

再回忆一下重点：量子计算机有时间倒带的能力！因此在上述干扰出现后，研究人员会模拟时间倒流，把已经扩散开去的量子信息标注重新聚焦回来，这一过程仿佛时间按下了倒带键。最后研究人员要去检查最初被下指令的量子比特，看它有没有变化——这么说来像不像一个物理实验？

没错，这种“量子回声”演算法代表的正是一种新形态的挑战。经典计算机可没有量子计算机这种独特的物理特性。最厉害的是，研究团队能让这种量子系统先正向演化，然后施加一个操作，再反向演化的“演化—扰乱—倒带”流程来回跑好几次。

另一个值得注意的是，这个“量子回声”非常特别，因为它会被“建设性干涉” 放大，这是一种量子波叠加后变得更强的现象，这使得团队的测量结果更精准。

不过大家还是会一头雾水：“这到底是要研究什么？”其实也很简单，就是量子比特的最初标记能不能完美复现。如果能，那就说明中途的干扰没有任何影响；如果“回声”变了，那变化的程度就是要测的物理量，叫作 “非时序关联函数（OTOC）”。

03

充当“超精密分子尺”

破解现实瓶颈

研究团队用65个量子比特，跑了23次OTOC测算，速度比目前最强超级电脑“Frontier”快了13000倍。它确实很厉害，但是该怎么用到分子结构模拟上呢？

前面也提到过NMR有点“近视”，对于它看不清的部分，“量子回声”就要充当“超精密分子尺”。

简单来说，研究团队把量子计算机当作一个“可调节”的分子模型，而OTOC则像是一个精密的“探测器”。通过使用OTOC，研究团队可以精确测量出量子系统对微小扰动的响应，并将这种“回声”与真实分子系统内的反应进行比较。

通过不断调整量子模型的参数，直到它的“回声”与真实分子的“回声”完全一致，就能确认量子计算机已经成功地复现了目标分子的量子行为。

这种方法使得研究者可以用量子计算机更加精确地模拟和理解复杂的分子系统。举个例子，固态电池研究难点之一就是不知道固态电解质与电极材料接触后发生的具体变化，如果“量子回声”演算法能测量更复杂的变化，将会真正解决这一难题。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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