量子计算，将从QPU开始 | 维尔切克专栏

第十七回 | 量子计算，从QPU开始

撰文 | 弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）
翻译 | 胡风梁丁当

近几年，量子计算机领域有许多重要的进展。IBM、谷歌和微软是这些进展的主要推动者，一些大学科研团队和国家实验室也有重要贡献。量子计算技术前途无量，这一点已是业界的共识。然而对于未来量子计算机具体是什么样子的，又将有多大的影响力，却还没有个清晰的说法。事实上，越来越明显的一个趋势是，今后将会出现规模和形式多种多样的量子计算机，以适应不同的用途。

传统的计算机以比特作为信息的存储单元。一个比特有两个状态：1或者0（比特的英文Bit是二进制数字，即binary digit的简写）。各类复杂的信息——从棋子的位置、蛋白质的结构到猫的图片，都可以转换成一长串比特。而量子计算机则是使用量子比特（英文简称为qubit）。量子比特可以是1，也可以是0，还可以是介于1和0之间某种状态。这种状态叫做叠加态，是1和0两种状态不可分解的混合。在不同的探索性量子技术中，量子比特的载体可能是单个的原子、电子、微小的超导环，或是更奇特的“任意子”（这是我提出并命名的一种准粒子）。量子比特比经典比特更加复杂，能够存储的信息密度也更高。

经典计算机并不适用于模拟量子系统。原因很简单：它们没有足够的空间来存储和操作量子系统所含的信息。量子计算机应该能更好地模拟量子系统。从理论上讲，它们能够计算各类材料的性质，包括可能的催化剂、药物、太阳能电池和蓄电池。这样的话，我们就不用再做那些费时费力的试探性实验了。

也有人称，量子计算机还能充当破解密码的工具。但是这类应用的要求非常苛刻，需要利用数千个量子比特进行精确计算。这个目标距离我们还非常遥远，在可见的未来，通用量子计算机大致将局限在几十个量子比特以内，并且出错率很高。

量子比特尽管性能强大，却很脆弱，且难以操控。在外界环境或其他粒子的干扰下，量子比特存储的信息很容易被打乱。比如，我们都知道传统计算机存储器中的信息可以被强磁场消除，而量子存储器对比那小得多的磁场都非常敏感。

相比之下，虽然量子模拟器不那么灵活、不允许任意编程，但对于研究量子力学来说，却是更容易实现的替代方案。这种方法的基本策略是这样：如果一个特定量子系统的行为很有趣但是很难通过实验来研究，我们就利用另一个比较容易操控的量子系统来模拟它。超冷原子系统就是一种特别有用的量子模拟器，因为我们可以通过调节激光、电场和磁场来囚禁和操控原子，进而调控原子之间的相互作用。例如，我们可以用冷原子来模拟中子的行为，从而了解中子星的内部物质状态。

经典-量子混合计算是另一个有前途的发展方向——经典计算机可以调用一个相对较小的量子“协处理器”来做一些关键的计算。这种协处理器的作用类似于图形处理单元（GPU，一种能非常高效地执行一些专门运算的超高速芯片）。GPU最初是为电脑游戏而设计开发的，它们使电脑可以快速地刷新图形显示。但是，聪明的研究人员发现，它们还可以用在别的很多地方，特别是模拟夸克和胶子是如何形成质子的。

在大型的通用量子计算机问世——如果真有那么一天——之前，这种经典-量子混合策略有可能使专门用于化学和材料科学的量子计算变成现实。让量子处理单元（QPU）尽快到来吧！

往期回顾：
第十六回 | 小改变，大不同
第十五回 | 黑洞有毛
第十四回丨捕捉大脑奥秘的画作
第十三回丨第二次量子革命来临
第十二回丨陀螺中的自然奥秘
第十一回 | 在原子和群星间游泳
第十回 | 物理世界的左右之别
第九回丨今夏最值得读的物理书
第八回 | 费曼预言的未来
第七回 | 外星人在哪？可能藏起来了
第六回 | 如果恐龙是物理学家
第五回 | 两大物理理论
第四回 | 假如我是一个粒子
第三回 | 真理没有死
第二回 | 为什么叫它时间晶体
第一回 | 先哲们的时间观