量子|别高兴太早，研发量子计算机的难度你想象不到( 三 )
科学家们为了正确地获得计算结果 ， 竟然要把同一个计算重复上万遍 ， 然后再把这上万个具体的 0 或者 1 统计一遍 ， 才能重新得出50% 这个计算结果 。
另外一个严重影响量子计算的因素 ， 是量子比特很难保持住量子纠缠的状态 。 量子纠缠状态又被称为相干性 。 一组纠缠在一起的量子中 ， 只要有一个受到干扰 ， 那么整组量子就会一起失去相干性 ， 这种现象叫做退相干 。 相干性可以把量子比特的状态互相绑定在一起 ， 这是实现量子算法的物理基础 。 而退相干则会让量子算法彻底失效 。
2020 年 7 月 20 日 ， 日本东北大学和悉尼新南威尔士大学的一项联合研究 ， 把量子比特维持量子态或相干性的时间延长到了10 毫秒。 这个成绩比以前的最好成绩 ， 足足提高了 10000 倍[4] 。
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图：研究人员采用的核心技术——基于受体的自旋轨道量子位（艺术概念图）
现在你应该大致了解 ， 谷歌公司是在何等艰苦的条件下 ， 完成了对二氮稀分子的模拟了吧 。 他们必须在千分之几毫秒的时间内 ， 把二氮稀的演化算法重复上万遍 。 而且 ， 他们必须要用大量冗余的量子比特来处理信息 ， 以防某一个量子比特因为波函数坍缩而失去了计算能力 。 这就是53 量子比特的量子计算机 ， 只能拿出 12 个有效的量子比特来进行计算的真正原因 。
量子计算机的设计难度
很多人喜欢拿经典计算机的摩尔定律来套量子计算机 。 他们以为去年制造出了 53 量子比特的量子计算机 ， 今年就应该把指标提高到106 量子比特 ， 后年就应该是 212 个量子比特 。 其实 ， 大部分人都低估了量子计算机的设计难度 。
经典计算机的芯片之所以能符合摩尔定律 ， 是因为制造芯片的技术储备已经成熟 ， 只差技术细节的积累和突破了 。 但是量子计算机的处境却完全不一样 。 我们只是确认了量子计算机的设计理论正确无误 ， 但是却没能确定 ， 量子计算机该走什么样的技术路线 。
用经典计算机来打个比方 。 这就好比我们已经知道制造计算机是可行的 ， 但是我们还没发明出电子管和晶体管来 。 这时候 ， 到底用哪种机械装置来实现计算机 ， 就是一个大问题了 。 现在量子计算机所处的阶段 ， 大概就相当于发明了手摇加法器的年代 。
你还真别觉得夸张 ， 现在至少有 20 种不同的量子计算机制造方案 。 每一种方案 ， 都在某一个方向上具有一点独特的优势 。
比如 ， 通过小型超导电路制造的超导量子计算机 ， 有着比较容易创建量子比特的优势 。 现在谷歌和IBM用的都是这个方案 。 但是 ， 超导量子计算机也有明显的劣势 ， 那就是必须要维持一个低温超导环境 ， 才能够顺利地运行 。 而且 ， 这些量子比特也比较容易受到噪声的干扰 。
微软公司比较热衷于制造拓扑量子计算机 ， 根据这项技术的数学理论 ， 这种技术方案可以有效地抵抗外界噪声 ， 延缓坍缩和退相干的发生 。 不过 ， 这项研究目前仍然处在数学阶段 ， 还没有真实的计算机造出来[5] 。
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图：拓扑量子计算理论模型
除此以外 ， 还有依靠电磁场控制带电离子的离子阱量子计算机、依靠光学设备控制光子的光量子计算机 。
每一种设计方案 ， 都有自己独特的优点 。 目前 ， 还没有任何一种方案 ， 能够力压群雄 ， 最终胜出 。
在过去的几年里[6] ， 美国、英国、加拿大等国家对量子计算机的研发投入超过了 10亿美元 ， 德国、俄罗斯和荷兰等国在量子计算上也投入了数亿美元 。 但是 ， 很显然 ， 在一个具体的技术方向确定之前 ， 这些巨额的投资被各种各样不同的方案分散了 。
目前看来 ， 虽然比较领先的谷歌和 IBM走的都是超导量子计算机的路线 ， 但从这两家公司目前遇到的困境来看 ， 我们仍然不能肯定 ， 这就是那个最优的解决方案 。
宇宙射线或将锁死量子计算机的未来
麻省理工学院最近的一项研究表示[7] ， 噪声干扰导致的量子比特退相干问题 ， 很可能成为当前量子计算机技术发展的天花板 。 麻省理工学院林肯实验室的研究员奥利弗教授说：“在过去的20年里 ， 我们就像剥洋葱一样 ， 把引起量子比特退相干的因素一个一个地解决掉 。 到现在 ， 除了周围的环境辐射以外 ， 已经没有太多的事情可以做了 。 ”
为了减少周围的环境辐射 ， 研究小组甚至把 2吨重的铅块做成了防辐射墙 。 他们不断地升起和降下这堵铅做的墙 ， 来测定环境辐射对量子比特退相干的影响 。
最后 ， 他们的结论是 ， 这些措施有效地阻挡了来自周围环境的辐射 ， 但是却挡不住无处不在的宇宙射线 ， 宇宙射线已经成为阻碍量子计算机进一步发展的天花板 。
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他们没有想到 ， 那些极其微弱的辐射竟然对量子比特的稳定性起到了严重的破坏作用 。 现在 ， 科学家们要么带着设备躲到 1000米深的地底下去 ， 要么就必须研发出有效的能够抵抗宇宙射线干扰的元器件 。
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