量子计算机|别高兴太早，研发量子计算机的难度你想象不到( 三 )
更过分的是 ， 即便是计算结果 ， 你都是没办法直接读出来的 。 比如 ， 我们用量子计算机 ， 来计算抛出硬币后 ， 正面和背面出现的概率 。 量子计算机计算得出了 50% 这个结论 。 但是 ， 这个结论却没办法输出出来 。 因为我们只要尝试读出结果 ， 就会导致波函数坍缩 。 结果也就从正确的 50% ， 变成了不是 1 ， 就是 0 的确定答案了 。
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 。
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