【導語】2019年，科技巨頭Google宣布實現“量子霸權”，其研發的Sycamore量子處理器僅用3分20秒便完成傳統超級計算機需1萬年才能解決的複雜計算。這一基於量子力學原理的革命性突破，標誌著計算技術進入新紀元，也掀起了全球對量子計算的研發熱潮。盡管量子計算機潛力巨大，但受製於量子退相幹、錯誤校正等技術瓶頸，其大規模商業化應用仍麵臨(lín)挑(tiāo)戰(zhàn)。

科(kē)技(jì)巨(jù)頭(tóu)Google宣(xuān)布(bù)實(shí)現(xiàn)“量(liàng)子(zi)霸(bà)權(quán)”這(zhè)一(yī)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)。根(gēn)據(jù)其(qí)公(gōng)布(bù)的(de)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)，該(gāi)公(gōng)司(sī)研(yán)發(fā)的(de)Sycamore量(liàng)子(zi)處(chù)理(lǐ)器(qì)完(wán)成(chéng)了(le)一(yī)項(xiàng)具(jù)有(yǒu)裏(lǐ)程(chéng)碑(bēi)意義的計算任務：僅用3分20秒就解決了一個極其複雜的數學問題。Google研究人員指出，即便是目前最強大的超級計算機，要完成同樣的計算任務可能需要長達1萬年的時間。這一成就的關鍵在於Sycamore處理器並非傳統計算機的簡單升級，而是采用了革命性的量子計算原理，其運算模式與經典計算機有著本質區別。

2019年10月，Google宣布其研發的Sycamore量子處理器取得重大突破。這款基於量子力學原理的處理器采用與傳統計算機完全不同的運算方式，標誌著計算技術進入新紀元。

Sycamore作為量子計算機，其運算能力源於量子粒子的特殊物理特性。這種革命性的計算架構在醫療研發和人工智能等領域展現出巨大潛力，吸引了包括科技巨頭和政府機構在內的多方關注。據統計，全球在量子計算領域的研發投入已達數十億美元規模。

盡管Sycamore的誕生是量子計算發展的重要裏程碑，但這項技術仍處於起步階段。量子計算機依賴的量子力學原理極為複雜，在實際應用中仍麵臨諸多技術挑戰，包括量子退相幹、錯誤校正等關鍵問題亟待解決。

要理解量子計算機的工作原理，需要了解量子疊加態這一核心概念。與傳統物理認知不同，量子粒子可以同時存在於多個狀態。這種特性完全顛覆了以牛頓力學為代表的經典物理學認知體係。在日常生活中，物體的運動軌跡是可預測的，比如從樹上掉落的蘋果最終會落地，而不會突然出現在其他位置。但量子世界的行為方式則截然不同。

然而，這些經典物理規律在亞原子尺度下完全失效。量子作為物質和能量的最小單位，展現出令人費解的行為特性。20世紀初，尼爾斯・玻爾、維爾納・海森堡和埃爾溫・薛定諤等物理學家通過實驗證實：雖然量子粒子可能出現在任何位置，但在特定位置被觀測到的概率卻可以為零。這是因為量子粒子具有同時存在於多個狀態的能力，比如一個電子可以同時保持自旋向上和向下的疊加態。

物理學家將這種特性命名為“量子疊加態”。更令人困惑的是，一旦進行觀測，量子係統就會坍縮為單一確定狀態。科學家隻能通過概率計算來預測量子係統的觀測結果。

量子現象的神奇之處不止於此。當多個量子粒子形成“糾纏態”時，無論相隔多遠，改變其中一個粒子的狀態都會立即影響其他粒子。愛因斯坦將這種超距關聯稱為“鬼魅般的遠距作用”，這一現象至今仍是物理學中最深奧的謎題之一。

麵對如此反直覺的量子特性，就連1965年諾貝爾物理學獎得主理查德・費曼也不得不承認：“沒有人真正理解量子力學。”但正是這種神秘特性，促使科學家探索量子計算的可能性，開創了全新的信息處理範式。

最早提出量子計算機構想的物理學家理查德·費曼

1981年，費曼在麻省理工學院的一次演講中首次闡述了這一革命性概念。但當時誰也沒有預料到，二十年後個人電腦會成為日常必需品。

傳統計算機，從早期的IBM設備到現代MacBook，其核心運算原理都是基於二進製位元（bit）係統。每個位元隻能表示0或1兩種狀態，計算機通過增加位元數量來提升運算能力。而費曼提出的量子計算機則采用完全不同的量子位元（qubit）概念。量子位元可以同時處於0和1的疊加態，當兩個量子位元形成糾纏態時，就能同時表示四種狀態組合。隨著量子位元數量的增加，其運算能力將呈指數級增長，遠超傳統計算機。

然而，將這一理論構想轉化為現實麵臨著巨大挑戰。量子位元通常由原子或亞原子粒子構成，極其脆弱，任何微小的幹擾都可能導致量子態坍縮。科學家花費了整整17年時間，直到1998年才成功研製出第一台雙量子位元計算機。

轉折點出現在20世紀末，日本科學家發明的超導電路技術為量子計算帶來了突破。通過將量子位元冷卻至接近絕對零度（-273℃）的極低溫環境，科學家終於能夠穩定控製多個量子位元。在這一技術基礎上，各大科技公司展開了激烈競爭：英特爾開發出49量子位元處理器，IBM和Google先後推出53量子位元處理器。Google更在此基礎上研製出72量子位元的升級版本。新興企業Rigetti更是宣布正在研發128量子位元係統，顯示出這一領域的快速發展態勢。

這一係列技術進步印證了費曼的前瞻性預見，同時也表明量子計算正在從理論構想逐步走向實際應用。不過需要指出的是，當前量子計算機仍麵臨量子相幹時間短、錯誤率高等技術瓶頸，要實現大規模商業化應用還有很長的路要走。

搜尋引擎巨頭 Google 的CEO桑德爾·皮查伊正在視察一台量子計算機。

不過，量子計算機的發展仍麵臨重大技術瓶頸。量子位元數量越多，維持超導狀態所需的冷卻係統就越可能麵臨巨大挑戰——要讓比深空更龐大的係統保持接近絕對零度的極低溫環境，現有的冷卻技術幾乎達到極限。

為突破這一限製，科學家正在探索替代方案。其中離子阱技術頗具潛力，該技術利用電場捕獲帶電原子作為量子位元，其最大優勢是可在室溫下運行，徹底解決了冷卻難題。但這項技術目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室(shì)階(jiē)段(duàn)，要實現工業化生產尚需時日。微軟公司則另辟蹊徑，研發對溫度相對不敏感的“拓撲量子位元”，該技術基於電子的特殊量子態，雖然已取得重要突破，但相關理論仍處於探索階段。

可以預見，當新一代計算設備成功駕馭量子粒子的神奇特性時，量子計算機將為人類解決更多複雜難題開辟全新路徑。從藥物研發到氣候模擬，從密碼破譯到人工智能，這項技術有望帶來革命性的突破。量子計算正在從理論構想逐步走向實際應用，雖然前路漫漫，但其發展前景令人充滿期待。

文中圖片均來源於《How it works》雜誌

作者：《how it works》科普團隊

審核：孫明軒 上海工程技術大學 教授