随着量子计算机技术走向成熟，这种机械未来将具备改变世界的能力。不过，我们现在完全有理由提出疑问：量子计算机究竟擅长处理哪些问题？这个问题的答案或许比这项技术本身更令人兴奋。
量子物理学的名声谈不上好。我们常常听说，这个理论描述的原子、粒子行为相当怪异，而这种怪异特性又进一步催生了各种各样深奥难解的概念，比如：我们生活在多重宇宙中，或者我们看到的现实根本不是真实的。于是，我们便经常忽略量子物理学对我们的生活产生的切实影响，比如：每当你查看智能手机的时候，其实都是在利用量子现象。
不过，量子理论的好处并不只有这个。随着我们对量子现象的认识不断深入，一系列旨在更直接利用量子现象的新技术有望对科学与社会产生巨大影响。虽然量子隐性传态和量子传感听上去很是新奇、诱人，但最有变革潜力的量子技术你大概早有耳闻，那就是：量子计算。
按照媒体的炒作，量子计算机可以加速药物研发，可以发现具有革命意义的新材料，甚至还有助于缓解气候变化。然而，虽然量子计算技术已经发展了许多年头，但其未来并不完全清晰。
首先，工程上的问题就比比皆是。
另外，我们在努力克服相关技术挑战的过程中，经常忽略一点：量子计算的本质让我们很难确切知晓这些机器的用途。虽然表面上媒体把量子计算吹得天花乱坠，但研究人员却在不知名的角落里切切实实地面对现实问题：如果我们明天就能把梦寐以求的量子计算机造出来，那么我们究竟能够用它做点什么？
就目前的情况来说，量子物理学的适用尺度主要在微小的量子世界，所以我们很容易忽略一个事实：量子技术其实在现代技术体系中无处不在。像基本粒子这样无限小的物质会表现出量子效应，比如有时表现出类似波的行为，而这点在宏观物体上是不存在的。举例来说，橙子由许多原子构成，而原子是量子，但你显然不能自欺欺人地认为橙子会像单个量子那样变成波。不过，当涉及我们现在已经习以为常的许多小设备时，它们内部单个电子的量子特性就变得至关重要了。
量子纠缠
就拿晶体管来说，这些纳米大小的半导体是我们控制微处理器内部电子流动的媒介，也是现代电子设备的基本组件。晶体管是怎么制造的？我们不断改变硅的几何形状和组成，然后将其层层堆叠起来，并在其中加入其他元素的原子。如果你不知道电子有时会表现得像波——这是量子行为的基本特征——就压根不可能用这种方式造出能正常工作的晶体管。
毫不夸张地说，看似深奥的量子物理理论已经彻底改变了我们的生活方式。没有量子理论，就没有光纤、没有互联网、没有智能手机。不过，物理学家许久之前就开始猜测，如果能够制造出不仅受益于量子效应，更是直接将量子效应作为主要资源的设备，那么量子技术可能还会催生其他技术变革。
例如，量子隐性传态。这种技术的基础是一种叫作“纠缠”的量子现象，处于纠缠状态的两个粒子互相关联，不论其距离有多远。目前，研究人员已经成功借助这种技术通过光纤电缆实现跨100千米的信息传输，通过卫星实现跨12?900千米以上的信息传输。他们认为，这种技术完全可以成为量子互联网（比现在的互联网速度更快，同时也更安全）的基础。
还有量子传感技术。这种技术有望使各种测量的灵敏度提升几个数量级，从而增强导航、地质勘探和医学诊断等技术的能力。不过，问题依旧在于：这类量子技术是否能够大范围推广开来，而不是只停留在小众应用领域。另一方面，量子计算机可能会产生更为全面的影响，就像经典计算机对人类社会的改变那样。
量子计算机的潜力基于其与经典计算机在工作方式上看似细微的差别。在经典计算机的处理器中，电子的关键作用是将信息编码成一系列1和0——也就是比特，可以解释为打开或关闭电流。相比之下，在量子计算机中，粒子或原子本身的量子特性编码了信息——它们不是协调、配合计算的舞台工作人员，它们就是主角本身。
这就是为什么量子计算机可以同时处理比经典计算机多得多的信息。量子比特的编码选择远比1和0两种多得多。需要明确的是，一个量子比特不能同时编码1和0，但它可以占据一个“量子态”——在被测量之前，它既是1和0，同时也不是1或0。听上去很奇怪，对吧？没错，就是这么奇怪。实际上，理解量子理论对现实本质的真正意义本身就是一个悬而未决的难题。尽管理论如此奇怪，但现实是，正是这些量子态让量子计算机的功能变得非常强大。10比特经典计算机可以存储0到1023之间的任何一个数字；而10量子比特的量子计算机足以同时存储0到1023之间的所有数字。
因此，量子计算机的巨大应用前景就在于，当出现经典计算机耗尽资源也无法完成计算的场景，量子计算机却可以做得很好。实际上，自20世纪80年代以来，研究人员就一直梦想掌握这种能力，并且为建造原型机付出了数十年的艰辛。
量子优越性
现在，他们的努力开始得到回报了。目前，性能最优秀的那些量子计算机——其中一些拥有1000个量子比特，就在几年前这个数字还只是区区50——完全可以解决全世界最强大的超级计算机都无法胜任的原理证明问题。研究人员称这项壮举为“量子优越性”。
于利希研究中心（德国国家研究机构之一，同时也是全欧洲最大的研究机构之一）的大卫 · 迪文琴佐（David DiVincenzo）说：“在过去的5年里，我们已经在实验室中取得了非凡进展。量子计算机的性能一直在进步。”差不多20年前，他提出了建造具有实用价值的量子计算机的7大条件——现在称为“迪文琴佐标准”——当前，数以百计的研究人员正在竞相检验这7大条件。
量子计算机进步的速度相当惊人。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的布莱恩 · 德马科（Brian DeMarco）说：“我们竟然在2025年就发展到了这种程度，这让我又惊又喜。”然而，仍有一个巨大困难横亘在我们面前：量子态本质上就是脆弱的。一个单独存在的量子比特，即便仅仅受到最微小的环境干扰，也极容易丢失它的特殊量子性质。这意味着，量子计算机在执行计算时往往会积累大量小错误，直到最后所有输出的结果都变得不可靠。因此，这场打造实用量子计算机的竞赛在很大程度上就是在比拼谁的成果“容错”率更高。同时，尽可能提高参与计算的量子比特的数量也很重要，因为量子计算机的计算能力显然会随着可靠量子比特的数量的上升而提高。
好消息是，有多种不同的制造量子比特的方法——从在超导电路中组装到使用激光控制的冷原子——能让我们在稳定量子比特之路上有多种选择。德马科说：“出现了很多很有想象力的技术创新。”
当然，我们肯定还需要更多创新。迪文琴佐说，他在想象拥有百万量子比特的量子计算机时，看到的是无数个摆满各类机器的房间，与位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机等粒子对撞机设备没有任何不同。由100万个超导量子比特构成的量子计算机必须安置在巨大的冰箱内，因为那些量子比特只能在极低的温度下工作，而且其控制系统需要使用成千上万根电线。类似地，由极冷原子构成量子比特的大型量子计算机则需要成千上万个激光器。一种解决方案是将许多较小的量子计算机连接到一台机器上。
量子计算的微妙之处
不过，真正阻碍我们实现量子计算机革命性应用的是，我们其实不知道这类机器最适合解决什么类型的问题。这也确实很难预测，因为约束量子比特行为的量子定律存在诸多细节，使得我们很难充分利用量子计算机看似巨大的潜在计算能力。叠加态，也即一个量子比特既不编码1也不编码0，会让人联想到量子计算机同时运行这两个值的计算。荷兰阿姆斯特丹大学的马里斯 · 奥佐尔斯（ Māris Ozols）说，现实情况要微妙得多，存在许多实际操作层面的挑战。
处于叠加态的量子比特与经典比特之间的真正区别在于，是否可能以100%的概率分辨出这个比特编码的是1还是0。对于量子比特来说，我们可能只能在测量它时发现，它在30%的时间里编码的是1。量子计算机上的计算是其量子比特状态变化的序列。如果这些状态是叠加态并且相互之间关联，那就有益于计算。不过，要读出量子计算机具体做了什么，就不得不测量这些状态。测量结果会是各种不同概率的不同答案，但绝不会同时产生所有可能出现的答案。
这意味着量子方法并不能保证更快解决问题。举例来说，在确定由0和1组成的随机字符串中1的数量是奇数还是偶数时，经典计算机和量子计算机花费的时间并无不同。因此，选择适合量子计算机解决的问题，以及正确的实现算法，对于充分发挥量子计算机的潜力至关重要。当然，有时这也确实十分困难。
诸如复杂性理论等数学工具或许能提供一些帮助，帮助我们了解在哪些问题上量子计算机的处理速度相比经典计算机有最大的优势。奥佐尔斯说：“不过，真正优秀的量子算法就像是人们碰巧才能发现的稀世珍宝。构建合适的量子算法没有任何普适的简单方法，这个过程更像是一门艺术。”
我们的目标当然是造出尺寸更大、出错更少的量子计算机，但现在，我们处于某种进退两难的境地。奥佐尔斯说：“目前，我们还不能运行任何真正尖端的量子算法，所以进展都是在某种理论世界中发生的。在这个理论世界中，我们不断开发算法并证明他们应该有用，但实际上，我们永远无法真正检验这一点。”
即便是最出名的量子计算算法——数学家彼得 · 肖尔（Peter Shor）在1994年发现的，研究人员确信它可以破解经典算法无法破解的加密密钥——也无法真正在现有的量子计算机上实现，因为目前的量子计算机还太小，太容易出错。奥佐尔斯说：“我们现在还没有能力在硬件上操弄算法。”
那么，随着量子计算机的不断进步，我们可以期待量子计算机出现哪些具体应用以及它们对社会产生哪些影响呢？我们有理由保持乐观。在过去的几年内，有多支团队在纠错量子计算机方面取得了重大进展。举例来说，谷歌量子人工智能公司的研究人员证明，他们可以增加柳木量子计算机中的量子比特数量，从而让更大型的量子计算机在执行实际操作时更少出错。增加量子比特数量确实是制造高容错大型量子计算机的必由之路。德马科说，如果这股势头继续下去，那么量子计算机在几年内便能处理化学和材料科学领域的实际应用问题，特别是如果我们能把量子计算机当作更大计算生态系统的组成部分使用的话。
在化学领域，我们可以用量子计算机研究某些分子的特性，这些分子可以升级化石燃料电池中的催化剂，或者成为下一代太阳能电池板的组成部分。在材料科学领域，量子计算机有助于模拟并创造性能更优的超导体，这种超导体无需冷却就能无损传输电力。
量子人工智能
量子计算机还有助于我们发现新药。实际上，我们已经开始在药物研发的计算上使用量子计算机，以确定目标药物同生物分子结合的最佳方式，并预测哪些潜在的药物分子本质上对人体是有害的。还有更有野心的：部分研究人员甚至想在量子计算机上运行人工智能程序。这类程序并不像化学问题那样适合量子计算机，而且科学家对于这么做的具体实用价值也没有达成一致意见。
虽然真正实现这些进步还有很长的路要走，但量子计算机已经取得了一些进展。加州理工学院的约翰 · 普雷斯基尔（John Preskill）说，已经有数十项量子领域的发现填补了我们对世界内部运作机制认识的空白——他称这些发现为“发现源”。其中包括对原子链产生磁性方式的认识，对似乎永远保持运动的奇异“时间晶体”的模拟，以及对能够选择性抵御宇宙朝无序方向（也即熵增）发展的系统的研究。
在加州大学伯克利分校的阿兹扎 · 苏雷曼扎德（Aziza Suleymanzade）看来，无论我们近期能够发现量子计算的何种应用，无论这些应用是大是小，这种技术无疑都是值得大力发展的。她举了激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的例子，这座天文台可以探测到由黑洞碰撞等灾难级事件产生的时空涟漪。如果我们在引力波探测中使用量子方法控制光——与某些量子计算机设计方案用到的技术没有什么不同——就可以大幅拓展探测的频率范围。苏雷曼扎德说，科学家持续不断地在量子研究领域努力，尽可能全面地掌握量子效应背后的原理，最后便能建造拥有百万量子比特的量子计算机，这必然会产生类似的次生效应。
德马科说，追根究底，因为具体哪种算法应用到量子计算机上最有效尚不确定，所以现在很难预测量子计算机会产生什么实际影响。这并不是说量子计算机不会改变世界，更大程度上还是我们不确定它们会如何改变世界。德马科把这个问题比作在20世纪70年代询问生产个人电脑的人，智能手机的存在会对人类社会产生什么影响。他说：“实际上，正是那些无法预见的事最是让我兴奋。”
资料来源 New Scientist
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本文作者卡米拉·帕达维奇-卡拉汉（Karmela Padavic-Callaghan）是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学博士，现在是一位科学作家，主要报道物理学、材料科学和量子技术领域的新闻
