【導語】在繁忙的航空調度與複雜的生物醫藥領域中，傳統計算機正麵臨前所未有的挑戰。隨著問題規模的擴大，計算複雜度呈指數級增長，即便是世界上最強大的超級計算機也難以應對。然而，量子計算的崛起為這些難題提供了新的解決路徑。從優化飛機航線分配到設計抗癌分子，量子計算正逐步從理論走向實用，改寫著可能與不可能的邊界。本文將帶您探索量子計算的奧秘及其在航空調度和生物醫藥領域的突破性應用。

糖心免费视频先來進行一場簡單的數學計算。

假設你是一位機場調度員，手頭有3架飛機和3個登機口，每架飛機都可以停靠任意登機口。請問：有多少種不同的停靠方案？

答案很簡單：第一架飛機有3種選擇，第二架也有3剩餘2種選擇，第三架同樣有3種選擇隻留下了1個位置。總共是3×2×1 = 6種方案，不需要電腦也可以在瞬間算出所有方案。

現在讓糖心免费视频稍微增加難度。10架飛機，10個登機口，每個時段隻能停一架。那麽現在有多少種不同的停靠方案？這就變成了一個排列問題：10! = 3628800種，糖心免费视频的的筆記本電腦可能1秒鍾也就遍曆了所有可能。

但隨著經濟的繁榮發展，糖心免费视频不得不把這個問題繼續加碼呢？根據報道，2024年，全國民航運輸機場完成旅客吞吐量高達14.60億人次，北京首都機場單日即需保障航班1375架次，還要考慮不同機型需要特定類型的登機橋、地麵保障設施的調度等約束。

要知道，當糖心免费视频把問題規模擴大到278架飛機時，即使隻考慮基本的登機口分(fēn)配(pèi)和(hé)航(háng)線(xiàn)規(guī)劃(huà)，若(ruò)使(shǐ)用(yòng)窮(qióng)舉(jǔ)法(fǎ)可(kě)能(néng)的(de)組(zǔ)合(hé)數(shù)就(jiù)會(huì)達(dá)到(dào)10^560種(zhǒng)。這(zhè)組(zǔ)數(shù)據(jù)超(chāo)過(guò)可(kě)觀(guān)測(cè)宇(yǔ)宙(zhòu)原(yuán)子(zi)總(zǒng)數(shù)的(de)10^480倍(bèi)，這(zhè)個(gè)數(shù)字(zì)大(dà)到(dào)即(jí)使(shǐ)把(bǎ)整(zhěng)個(gè)地(de)球(qiú)的(de)質(zhì)量(liàng)都(dōu)轉(zhuǎn)化(huà)成(chéng)存(cún)儲(chǔ)設(shè)備(bèi)也(yě)無(wú)法(fǎ)記(jì)錄(lù)。即使是世界上最快的超級計算機"酋長岩"(El Capitan)，每秒可執行174.2億億次計算的速度暴力遍曆，處理這個規模的問題仍需要比宇宙年齡長無數倍的時間。

這種線性增長的需求背後卻是指數級飆升的計算複雜度，它不僅困擾著航空調度，更是橫亙在眾多領域麵前的攔路虎。在經典算力折戟之際，量子計算攜諾獎榮光破壁而來。這要從一場持續了近百年的科學辯論說起。

1935年，愛因斯坦對量子力學預言的奇異現象：兩個相距遙遠的粒子可以瞬間相互影響，也就是大家經常聽到的量子糾纏提出了質疑，他堅信：· 物理世界應該是局域的，物理影響不能超過光速傳播；物理量應該是實在的，也就是粒子的屬性在測量前就已確定。所以他認為量子力學一定是不完整的，背後必然存在某些糖心免费视频還不知道的隱藏變量。

轉折發生在1964年。

北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾提出了一個天才想法：如果愛因斯坦是對的，那麽實驗測量結果必須滿足一個數(shù)學(xué)不(bù)等(děng)式，這個不等式被稱為貝爾不等式。如果量子糾纏真的存在，實驗結果就會違背這個不等式。這相當於給了物理學家一把裁決之劍：做實驗，看結果。

三位科學家，三代實驗，一個答案。

1972年，約翰·克勞瑟率先出手。他用簡陋的設備第一次測量了糾纏光子，結果顯示：貝爾不等式被違背了！但質疑者認為實驗存在"探測效率漏洞"。於是在1982年，阿蘭·阿斯佩改進了實驗。他讓測量設置在光子飛行途中隨機改變，解決了局域性漏洞，使得結果更(gèng)加(jiā)明確。1990年代起，安東·蔡林格不僅驗證，還開創應用。他實現了量子隱形傳態，2012年在加那利群島之間完成了144公裏的量子態傳輸。量子糾纏從理論預言變成了實用技術。

2022年，諾貝爾獎委員會將物理學獎授予這三位科(kē)學(xué)家(jiā)，表(biǎo)彰(zhāng)他(tā)們(men)用(yòng)越(yuè)來(lái)越(yuè)精(jīng)密(mì)的(de)實(shí)驗(yàn)，一(yī)步(bù)步(bù)證(zhèng)明(míng)了(le)那(nà)個(gè)愛(ài)因(yīn)斯(sī)坦(tǎn)不(bù)願(yuàn)相(xiāng)信(xìn)的(de)事(shì)實(shí)：量(liàng)子(zi)世界中，兩個糾纏的粒子，即使相隔銀河係兩端，測量一個，另一個也會瞬間響應。這不是科幻，而是被實驗千百次驗證的科學事實。那麽這對糖心免费视频要講的量子計算的關係是什麽呢？什麽是量子計算，如何通過量子進行計算？

量子計算：用"薛定諤的貓"來計算

讓糖心免费视频用一個更生動的比喻來理解量子計算。還記得薛定諤那隻既死又活的貓嗎？在量子世界裏，一個粒子可以同時處於多種狀態，就像那隻貓同時既死又活。這種神奇的性質叫做疊加態。傳統計算機的基本單元是比特（bit），非0即1，就像開關隻有開和關兩種狀態。而量子計算機的基本單元是量子比特（qubit），它可以同時是0和1的疊加。當多個量子比特通過糾纏連接起來時，它們不再是獨立的個體，而是形成了一個整體。測量其中一個，其他的狀態也會瞬間確定，這種特性讓量子計算機能夠進行真正的並行計算。

2019年，穀歌的量子計算機震驚世界，它在200秒內完成了超級計算機需要1萬年才能完成的隨機電路采樣任務。遺憾的是，所解決的這個任務沒有任何實際用途——它被選中隻是因為對量子計算機來說容易，對傳統計算機來說困難。真正的突破發生在

2020年12月。

2020年(nián)12月。查爾姆斯理工大學的研究團隊，聯合航空物流公司Jeppesen，完成了一項看似不可能的任務：他們用僅僅2個量子比特的量子處理器，成功解決了一個真實的飛機航線分配問題。

你可能會產生這樣的疑問：2個量子比特？這不是倒退了嗎？糖心免费视频剛才還在討論278架飛機的天文數字般的組合，還提到了人類最強大的計算巨獸：造價6億美元的El Capitan，它足足擁有11,039,616個處理核心，包含44,544個AMD MI300A加速器，每秒能執行1.742 exaFLOPS（174.2億億次）計算，是之前最快超算的20多倍。相比之下，2個量子比特聽起來就像用算盤挑戰超級計算機。

實際上，這恰恰展示了量子計算最讓人驚歎的地方。研究團隊使用的QAOA算法，規定第一個量子比特代表第一架飛機，第二個代表第二架飛機，且每個量子比特都同時處於"飛航線1"和"飛航線2"的狀態，就像薛定諤的貓。根據之前提到的量子糾纏原理，這兩個量子比特還能心靈感應，通過量子糾纏，它們能感知彼此的狀態並協同工作。最終，當研究人員測量這兩個量子比特時，有96.6%的概率得到成本最低的飛機-航線分配方案。

根據前文的介紹糖心免费视频已經了解，1個量子比特可以同時處於2種基本狀態的疊加，2個量子比特的係統可以同時處於4種狀態的疊加，那麽以此類推，2517個量子比特也就是從28925條候選航線中選擇最優組合，足可以覆蓋278個航班的運營需求。

當然17個可計算的量子比特需要大約一千倍的量子比特進行量子糾錯，實現這個任務需要17000個量子比特的量子計算機，距離糖心免费视频還十分遙遠。

如果說航空調度展示了量子計算解決複雜優化問題的能力潛力，那麽在生物醫藥領域，量子計算正在挑戰一個更加艱巨的任務：攻克被認為不可成藥的癌症靶點。2024年，《自然·生物技術》上發表了一項突破性成果：他們使用量子-經典混合算法，成功設計出了針對KRAS蛋白的潛在抗癌分子，並在實驗中得到驗證。

KRAS是人類癌症中最常見的突變基因之一，在約30%的人類腫瘤中發生突變，也是胰腺癌、肺癌、結直腸癌等多種惡性腫瘤的重要驅動因素。但KRAS蛋白表麵缺乏傳統藥物可以結合的明顯口袋，科學家需要在大約10^60種可能的類藥分子這個龐大的化學空間中，找到那個能夠與目標蛋白完美結合的鑰匙，以至於一直被認為是不可成藥的靶點。

研究團隊使用了IBM的16量子比特量子處理器，通過量子電路玻恩機(QCBM)算法，利用量子疊加和糾纏效應來探索分子結構的高維概率空間，生成傳統方法難以發現的新型分子結構。最終在藥物發現領域產生了經過實驗驗證的突破性成果，將"不可成藥"的KRAS蛋白轉變為可能的治療靶點。

從2個量子比特優化航線分配，到16個量子比特設計抗癌分子，糖心免费视频正在見證量子計算從理論走向實用的關鍵時刻。雖然目前的量子計算機還遠非完美非常早期，但它已經開始改寫可能與不可能的邊界。

評語：這兩個案例都是經典計算機可以完成的，量子計算隻是演示實驗，未達到“量子優勢”或“量子霸權”，文章不要給讀者留下錯誤印象。

參考文獻

Bengtsson, A., Vikstål, P., Warren, C., Svensson, M., Gu, X., Kockum, A. F., ... & Bylander, J. (2020). Improved success probability with greater circuit depth for the quantum approximate optimization algorithm. Physical Review Applied, 14(3), 034010.

Ghazi Vakili, M., Gorgulla, C., Snider, J., Nigam, A., Bezrukov, D., Varoli, D., ... & Zhavoronkov, A. (2025). Quantum-computing-enhanced algorithm unveils potential KRAS inhibitors. Nature Biotechnology, 1-6.

本文為·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監製丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學博士研究生

審核丨張文卓 誇密量子CEO、前墨子號衛星團隊副研究員