量子计算机终于要派上用场了：这场变革背后到底发生了什么？

就在几年前，许多量子计算领域的研究人员认为，开发能够解决复杂任务（如预测化学反应或破解加密文本）的机器需要几十年时间。但现在，人们越来越希望这类机器能在未来十年内问世。IBM发布了首款1000量子比特量子芯片。普林斯顿大学的实验量子物理学家纳塔莉·德莱昂用“氛围转变”来描述这种变化：“人们现在开始转变观念了。”该领域的进展速度大幅加快，尤其是在过去两年左右，多个方面都有突破。从学术实验室到从初创小公司到大型科技企业，各方团队通过改进量子设备的制造和控制技术，大幅减少了这些出了名不稳定的量子设备容易产生的误差。同时，理论家们也更清楚如何更高效地使用量子设备。耶路撒冷希伯来大学的计算机科学家多丽特·阿哈罗诺夫说：“在这一点上，我更加确定量子计算将会实现，而且时间线比人们想象的要短得多。我们已经进入了一个新时代。”最新进展让物理学家们感到兴奋，因为它们解决了阻碍可行量子计算机发展的一些主要瓶颈。这些设备通过将信息编码到量子比特（qubit）中来工作，量子比特是信息单位，不仅能像经典计算机中的比特那样取0或1的值，还能取两者之间的一系列连续值。典型例子是电子的量子自旋，它是磁针的量子对应物，可以在空间中指向任何方向。陆朝阳是预计到2035年能出现容错量子计算机的研究者之一。典型量子计算的核心包括一系列量子门，它们是操纵量子比特状态的操作。量子门可以作用于单个量子比特（例如将自旋旋转一定角度），也可以作用于多个量子比特。关键的是，量子门能使多个量子比特处于集体纠缠或强关联状态，从而指数级提升它们处理信息的能力。每次计算最后都要进行测量，从量子比特中提取信息，破坏量子门产生的复杂量子态，并以普通数字比特串的形式返回答案。几十年来，研究人员质疑这种计算范式的可行性，主要有两个原因。一是在实际中，量子态往往会自然且随机地漂移，一段时间后，它们存储的信息不可避免地会丢失。二是量子门和测量本身也会引入误差。即使是像用电磁脉冲旋转自旋这样简单的操作，也从未完全按预期进行。但阿哈罗诺夫等人表示，在过去一年左右，四个团队已经证明这些问题最终是可以解决的。这些团队分别来自加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能实验室、科罗拉多州布鲁姆菲尔德的Quantinuum公司、马萨诸塞州波士顿地区的哈佛大学和初创公司QuEra。就在去年12月，中国科学技术大学（位于合肥）的第四个团队也加入了这个专属俱乐部。这四个团队实施并改进了一种名为量子纠错的技术，即将单个量子信息单元（“逻辑”量子比特）分布在多个“物理”量子比特上。在谷歌和中国科学技术大学团队的研究中，量子信息被编码在超导材料环内循环的电子集体状态中，这些材料被保持在略高于绝对零度的温度，以防止信息降解。Quantinuum利用电磁陷阱中单个离子内电子的磁排列。QuEra的量子比特则由被称为“光镊”的光束束缚的单个中性原子的排列来表示。通过在计算中途测量特定的物理量子比特，机器可以检测逻辑量子比特中的信息是否已降解，然后进行修正。和对量子比特的任何操作一样，修正本身也会引入误差。20世纪90年代，阿哈罗诺夫等人通过数学证明，如果反复应用这一过程，可以将误差降低到所需程度。但这一结果有个前提：纠错的每一步都必须将误差降低到某个阈值以下。这四个团队现已证明，他们的计算能够满足这一要求。对许多物理学家来说，这一转折点表明，大规模“容错”量子计算是可行的。即使量子纠错有效，它也不是万能的。长期以来，科学家估计，要使用它运行完全容错的量子算法，需要1000:1的开销，即每个逻辑量子比特至少需要1000个物理量子比特。迄今为止建造的最大量子计算机只有几千个量子比特，但早期估计表明，要完成诸如质因数分解等任务，可能需要数十亿个量子比特。普林斯顿大学的安德鲁·霍克、纳塔莉·德莱昂及其同事开发了一种能提高量子计算准确性的技术。长期以来，质因数分解一直是一个基准任务，因为能够将大数字分解为质数的量子计算机将足够强大，足以解决以前难以处理的问题，例如预测新型“神奇材料”的特性或提高股票交易效率。实现这些目标的一个助力是巧妙地实现算法，使用更少的量子比特和量子门。这使得分解大数字（这将破解一种常见的互联网加密系统）所需的物理量子比特数量估计每五年大约减少一个数量级。去年，谷歌研究员克雷格·吉德尼表明，他可以将量子比特数量从2000万减少到100万，部分是通过将抽象的量子门图排列成复杂的3D模式。（“我确实使用了很多几何直觉，”他说。）吉德尼表示，他的实现可能已接近标准量子纠错技术的最佳性能。不过，他补充说，更好的技术可能会进一步降低开销。德莱昂说：“目前的关键在于如何提高纠错效率。”有几种可能的方法。理论家可以通过开发更高效地编码逻辑量子比特信息的纠错技术来提供帮助，从而减少所需的物理量子比特数量。提高量子门操作的“保真度”（即准确性）和物理量子比特的质量意味着需要更少的纠错步骤，从而减少必要的物理量子比特数量。柏林自由大学的物理学家延斯·艾塞尔特说，如果未来几年物理量子比特的开销没有进一步下降，他会“感到惊讶”。荷兰代尔夫特理工大学由荷兰政府支持的量子技术研究机构QuTech的理论物理学家芭芭拉·特哈尔说：“我认为，从数学角度来看，量子纠错理论正变得更加丰富和有趣。相关论文数量激增。”不过，她警告说，复杂的纠错码可能有缺点，因为它们会使量子门的执行更加复杂。IBM完善的一种技术有望用行业标准方法十分之一的物理量子比特数量来编码逻辑量子比特，即开销约为100:1。QuEra正在试验利用其“中性原子”量子比特主要优势的方法：可以灵活移动，以便随意相互纠缠。QuEra创始人、哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金说，他们的纠错方法原则上也可以将开销降低到100:1。卢金认为，其两量子比特门的保真度目前约为99.5%，需要提高到约99.9%，他说这是可行的。“我们正顺利走向‘三个九’（99.9%），”他用行业术语说道。与此同时，德莱昂专注于使用计量学（精确测量科学）的先进技术研究量子比特的弱点。历史上，超导量子比特的一个主要缺点是寿命短，即使算法在同一芯片上操纵物理上相距较远的量子比特时，存储的信息也会降解。“量子比特在等待你执行量子门操作时会有点‘死亡’，”德莱昂说。她和合作者对超导量子比特进行了超精确测量，以找出限制其寿命的电磁噪声源。然后，他们尝试将超导环的材料从铝换成钽，支撑材料从蓝宝石换成绝缘硅。去年11月发表在《自然》杂志上的论文中，作者称这些变化将寿命从0.1毫秒提高到了1.68毫秒。她说还有进一步改进的空间。“有一些明显可以尝试的方法，我相信我们可以达到10或15毫秒，”德莱昂说，但她也警告说，通常在消除一个噪声源后，另一个意想不到的噪声源会出现。