2025-09-09 11:00:13
【导语】2019年，科技巨头Google宣布实现“量子霸权”，其研发的Sycamore量子处理器仅用3分20秒便完成传统超级计算机需1万年才能解决的复杂计算。这一基于量子力学原理的革命性突破，标志着计算技术进入新纪元，也掀起了全球对量子计算的研发热潮。尽管量子计算机潜力巨大，但受制于量子退相干、错误校正等技术瓶颈，其大规模商业化应用仍面临挑战。
科技巨头Google宣布实现“量子霸权”这一重大突破。根据其公布的研究成果，该公司研发的Sycamore量子处理器完成了一项具有里程碑意义的计算任务：仅用3分20秒就解决了一个极其复杂的数学问题。Google研究人员指出，即便是目前最强大的超级计算机，要完成同样的计算任务可能需要长达1万年的时间。这一成就的关键在于Sycamore处理器并非传统计算机的简单升级，而是采用了革命性的量子计算原理，其运算模式与经典计算机有着本质区别。
2019年10月，Google宣布其研发的Sycamore量子处理器取得重大突破。这款基于量子力学原理(lǐ)的(de)处(chù)理(lǐ)器(qì)采用(yòng)与(yǔ)传(chuán)统(tǒng)计(jì)算(suàn)机(jī)完(wán)全不(bù)同(tóng)的(de)运(yùn)算(suàn)方(fāng)式(shì)，标(biāo)志(zhì)着(zhe)计(jì)算(suàn)技(jì)术(shù)进(jìn)入(rù)新(xīn)纪(jì)元(yuán)。
Sycamore作(zuò)为(wèi)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)，其(qí)运(yùn)算(suàn)能(néng)力(lì)源(yuán)于(yú)量(liàng)子(zi)粒(lì)子(zi)的(de)特(tè)殊(shū)物(wù)理(lǐ)特(tè)性(xìng)。这(zhè)种(zhǒng)革(gé)命(mìng)性(xìng)的(de)计(jì)算(suàn)架(jià)构(gòu)在(zài)医(yī)疗(liáo)研(yán)发(fā)和(hé)人(rén)工(gōng)智(zhì)能等领域展现出(chū)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)，吸(xī)引(yǐn)了(le)包(bāo)括(kuò)科(kē)技(jì)巨(jù)头(tóu)和(hé)政(zhèng)府(fǔ)机(jī)构(gòu)在(zài)内(nèi)的(de)多(duō)方(fāng)关注(zhù)。据(jù)统(tǒng)计，全球在量子计算领域的研发投入已达数十亿美元规模。
尽管Sycamore的诞生是量子计算发展的重要里程碑，但这项技术仍处于起步阶段。量子计算机依赖的量子力学原理极为复杂，在实际应用中仍面临诸多技术挑战，包括量子退相干、错误校正等关键问题亟待解决。
要理解量子计算机的工作原理，需要了解量子叠加态这一核心概念。与传统物理认知不同，量子粒子可以同时存在于多个状态。这种特性完全颠覆了以牛顿力学为代表的经典物理学认知体系。在日常生活中，物体的运动轨迹是可预测的，比如从树上掉落的苹果最终会落地，而不会突然出现在其他位置。但量子世界的行为方式则截然不同。
然而，这些经典物理规律在亚原子尺度下完全失效。量子作为物质和能量的最小单位，展现出令人费解的行为特性。20世纪初，尼尔斯・玻尔、维尔纳・海森堡和埃尔温・薛定谔等物理学家通过实验证实：虽然量子粒子可能出现在任何位置，但在特定位置被观测到的概率却可以为零。这是因为量子粒子具有同时存在于多个状态的能力，比如一个电子可以同时保持自旋向上和向下的叠加态。
物理学家将这种特性命名为“量子叠加态”。更令人困惑的是，一旦进行观测，量子系统就会坍缩为单一确定状态。科学家只能通过概率计算来预测量子系统的观测结果。
量子现象的神奇之处不止于此。当多个量子粒子形成“纠缠态”时，无论相隔多远，改变其中一个粒子的状态都会立即影响其他粒子。爱因斯坦将这种超距关联称为“鬼魅般的远距作用”，这一现象至今仍是物理学中最深奥的谜题之一。
面对如此反直觉的量子特性，就连1965年诺贝尔物理学奖得主理查德・费曼也不得不承认：“没有人真正理解量子力学。”但正是这种神秘特性，促使科学家探索量子计算的可能性，开创了全新的信息处理范式。
最早提出量子计算机构想的物理学家理查德·费曼
1981年，费曼在麻省理工学院的一次演讲中首次阐述了这一革命性概念。但当时谁也没有预料到，二十年后个人电脑会成为日常必需品。
传统计(jì)算(suàn)机(jī)，从(cóng)早(zǎo)期(qī)的(de)IBM设(shè)备(bèi)到(dào)现(xiàn)代(dài)MacBook，其(qí)核(hé)心(xīn)运(yùn)算(suàn)原(yuán)理(lǐ)都(dōu)是(shì)基(jī)于(yú)二(èr)进(jìn)制(zhì)位(wèi)元(yuán)（bit）系(xì)统(tǒng)。每(měi)个(gè)位(wèi)元(yuán)只(zhǐ)能(néng)表(biǎo)示(shì)0或(huò)1两(liǎng)种(zhǒng)状(zhuàng)态(tài)，计(jì)算(suàn)机(jī)通(tōng)过(guò)增加位元数量来提升运算能力。而费曼提出的量子计算机则采用完全不同的量子位元（qubit）概念。量子位元可以同时处于0和1的叠加态，当两个量子位元形成纠缠态时，就能同时表示四种状态组合。随着量子位元数量的增加，其运算能力将呈指数级增长，远超传统计算机。
然而，将这一理论构想转化为现实面临着巨大挑战。量子位元通常由原子或亚原子粒子构成，极其脆弱，任何微小的干扰都可能导致量子态坍缩。科学家花费了整整17年时间，直到1998年才成功研制出第一台双量子位元计算机。
转折点出现在20世纪末，日本科学家发明的超导电路技术为量子计算带来了突破。通过将量子位元冷却至接近绝对零度（-273℃）的极低温环境，科学家终于能够稳定控制多个量子位元。在这一技术基础上，各大科技公司展开了激烈竞争：英特尔开发出49量子位元处理器，IBM和Google先后推出53量子位元处理器。Google更在此基础上研制出72量子位元的升级版本。新兴企业Rigetti更是宣布正在研发128量子位元系统，显示出这一领域的快速发展态势。
这一系列技术进步印证了费曼的前瞻性预见，同时也表明量子计算正在从理论构想逐步走向实际应用。不过需要指出的是，当前量子计算机仍面临量子相干时间短、错误率高等技术瓶颈，要实现大规模商业化应用还有很长的路要走。
搜寻引擎巨头 Google 的CEO桑德尔·皮查伊正在视察一台量子计算机。
不过，量子计算机的发展仍面临重大技术瓶颈。量子位元数量越多，维持超导状态所需的冷却系统就越可能面临巨大挑战——要让比深空更庞大的系统保持接近绝对零度的极低温环境，现有的冷却技术几乎达到极限。
为突破这一限制，科学家正在探索替代方案。其中离子阱技术颇具潜力，该技术利用电场捕获带电原子作为量子位元，其最大优势是可在室温下运行，彻底解决了冷却难题。但这项技术目前仍停留在实验室阶段，要实现工业化生产尚需时日。微软公司则另辟蹊径，研(yán)发(fā)对(duì)温(wēn)度(dù)相(xiāng)对(duì)不(bù)敏(mǐn)感(gǎn)的(de)“拓(tà)扑(pū)量(liàng)子(zi)位(wèi)元(yuán)”，该(gāi)技(jì)术(shù)基(jī)于(yú)电(diàn)子(zi)的(de)特(tè)殊(shū)量(liàng)子(zi)态(tài)，虽(suī)然(rán)已(yǐ)取(qǔ)得(de)重(zhòng)要(yào)突(tū)破(pò)，但(dàn)相(xiāng)关理(lǐ)论(lùn)仍(réng)处(chù)于(yú)探(tàn)索(suǒ)阶(jiē)段(duàn)。
可(kě)以(yǐ)预见，当新一代计算设备成功驾驭量子粒子的神奇特性时，量子计算机将为人类解决更多复杂难题开辟全新路径。从药物研发到气候模拟，从密码破译到人工智能，这项技术有望带来革命性的突(tū)破(pò)。量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)正(zhèng)在(zài)从(cóng)理(lǐ)论(lùn)构(gòu)想(xiǎng)逐(zhú)步(bù)走(zǒu)向(xiàng)实(shí)际(jì)应(yīng)用(yòng)，虽(suī)然(rán)前(qián)路漫(màn)漫(màn)，但其发展前景令人充满期待。
文中图片均来源于《How it works》杂志
作者：《how it works》科普团队
审核：孙明轩 上海工程技术大学 教授
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