摸不到的量子计算:那台零下273度的黑盒子,到底在算什么?

9月23号在南京出完差,挤了40分钟地铁到江北的实验室,推开门先打了个寒颤。

不是空调开太足。
是那台摆在房间正中央的装置,温度比外太空的深空背景还低。

银灰色的金属外壳,接了密密麻麻的管线,旁边的屏幕上跳着一串串我看不懂的参数。我凑过去想伸手碰一下,被旁边做实验的师姐抬手拦了。

“别碰。内部温度比绝对零度高0.02度,你手凑过去带的那点热量,足够把我们攒了两周的实验数据全震碎。”

我赶紧把手缩回来。

先别信那些“算力碾压超算”的爽文

先别信那些“算力碾压超算”的爽文
先别信那些“算力碾压超算”的爽文


说实话,我之前刷到太多相关的短视频,说什么量子计算一落地,现在的超级计算机就全成了废铁,算个天气预报、密码破解只要几秒钟,人类文明直接跳一个台阶。

真站在装置跟前听师兄讲完现状,才发现这些文案写的全是遥远的未来,和现在我们能摸到的这些机器,差了十万八千里。

现在行业里都管当下这个阶段叫NISQ时代,翻译成人话就是——我们现在造的这些量子机器,全是带噪音的残次品。

每个量子比特就像个刚学会走路的小孩,站都站不稳,外界随便来一点震动、一点温度波动,甚至隔壁房间有人开了个开关,它的状态就错了。你要让它算个稍微复杂点的问题,算出来的结果根本没法用。

稀释制冷机内部低温结构实拍图
稀释制冷机内部低温结构实拍图


之前有公开的技术测算提到,要造出一台能真正稳定干活的量子计算机,大概需要几千个能稳定纠错的物理比特,现在我们实验室里最先进的装置,也就几百个物理比特,扣掉用来纠错的部分,真正能用来算题的有效比特,可能还不到两位数。

就像你开个公司,招了1000个员工,其中990个都在当监督员,盯着剩下10个别出错,真正在一线干活的就10个人,你说这效率能高到哪去?

别听那些爽文吹得天花乱坠。现在的量子计算机,别说碾压超算了,你拿它算个两位数的乘法,说不定还不如你手里的计算器快。

别拿“叠加态”忽悠人,它真不是你想的那回事



我之前被科普文骗了快三年,一直以为量子比特的“叠加态”,就是一个人能同时出现在南京和上海,同时把所有可能的答案都算一遍,所以才快。

直到师兄拿了个乒乓球给我打比方,我才反应过来之前的理解全错了。

你把乒乓球放在半空中松手,它会往下掉,这是经典世界的规则,它的状态是确定的,要么在你手里,要么在往下掉。

但量子世界的规则完全不一样。如果这个乒乓球是量子尺度的,那在你没碰到它之前,它是“向上飞”和“向下掉”两种状态的叠加组合,不是你不知道它在哪,是它真的同时处于两种状态里。等你伸手去接的那一瞬间,它才会立刻坍缩成一个确定的状态,要么在你手里,要么掉在地上。

我们现在所有的量子计算,本质上都是在小心翼翼地控制这些叠加态,不让它们被外界的一点点干扰“碰碎”。

之前很多科普文说,量子计算快是因为它能同时算所有的可能性。其实根本不是。它只是在设计算法的时候,把那些不需要算的可能性提前过滤掉了,让叠加态的组合刚好指向我们想要的答案。

说穿了,这不是什么“开了上帝视角”,只是换了个更巧的解题思路而已。

量子比特叠加态概率分布示意图
量子比特叠加态概率分布示意图


等它真的能用的时候,最先改变的根本不是你的手机

等它真的能用的时候,最先改变的根本不是你的手机
等它真的能用的时候,最先改变的根本不是你的手机


我当时问师兄,等这东西真做成熟了,我们普通人最先能感受到的变化是什么?

是手机变快?是网速变快?还是玩游戏的时候帧率拉满?

师兄笑了半天,说这些事根本轮不到量子计算来干。

你想想,你现在用手机刷视频、打游戏,这点算力,现在的经典芯片早就够够的了,就算再过十年,手机要处理的算力需求,现在的经典架构也完全能扛住,根本用不着花那么大代价,搞个零下273度的大箱子来干这点小事。

真等量子计算成熟了,最先被改变的,是那些经典计算机根本算不动的事。

比如研发新药。现在要研发一款针对癌症的靶向药,得先模拟药物分子和病变细胞的结合过程,而这些分子本身就是量子尺度的结构,你用经典的比特去模拟,就像用算盘去算火箭的轨道——不是算不了,是太慢了,一个大分子的结构,可能要算上五六年,等算出来,患者都等不及了。

而量子计算天生就是模拟量子世界的东西,算这种分子结构,就像让鱼去游泳,天生就适配。

再比如现在大家用的网银密码、支付密码,背后的加密逻辑,是靠大质数分解的难度——经典计算机要把一个几百位的大质数拆成两个因数,可能要算到太阳都熄灭。但量子计算有专门的Shor算法,理论上可以把这个计算时间压缩到几小时。

也不用恐慌。现在学界早就开始在布局抗量子的加密标准了,就像提前给大家换一把更结实的锁,等真正能破解现有密码的量子机器造出来的时候,大家早就把旧锁换完了。

量子计算辅助药物分子模拟场景图
量子计算辅助药物分子模拟场景图


那天从实验室出来,已经是傍晚了,南京的风裹着桂花香吹过来,我突然觉得之前在网上刷到的那些关于量子计算的夸张宣传,都像飘在风里的广告纸,看着热热闹闹的,其实离普通人的日常还远得很。

不过也没关系。

毕竟1946年第一台经典计算机造出来的时候,占了整整一个房间,耗电够一个小村子用,谁能想到几十年后,我们能把比它快亿万倍的芯片揣在裤兜里,随时拿出来刷视频、打游戏呢?

慢慢来呗。

作者|科技

排版|科技

审核|柚子

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文章名称:摸不到的量子计算:那台零下273度的黑盒子,到底在算什么?
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