马迪

量子计算技术与产业正齐头并进，超导体、光量子、离子阱、中性原子等研究方向“百花齐放”，最终“花落谁家”仍是未知数。

在科幻电影《流浪地球》的故事设定中，量子计算机扮演了极为重要的角色，尤其是550系列：550C是“自感知、自适应、自组织、可重塑编译计算核心，在与硬件连接以后可以实时生成底层操作系统”。这意味着它对任何硬件都即插即用、完全控制；550W拥有更强的算力，可以同时控制全球数万座发动机的建设和运营，还产生了自我意识，给自己命名为MOSS，同时担负着毁灭人类和拯救人类这两大使命，成为电影中的最大BOSS。

如此“神通广大”的量子计算机，在现实生活中到底存不存在？

“遇事不决，量子力学。”这个广为流传的梗，道出了量子力学在群众心中的深奥莫测。虽然这门学科确实无法用几句话解释清楚，但从20世纪初创立以来，它已经切实改变了人类看待世界的角度。

量子计算的历史可以追溯到20世纪80年代。1982年，美国理论物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼在一篇论文中提出了量子计算的设想，认为量子计算可以比传统的计算机更快地解决复杂的问题。1994年，美国贝尔实验室的科学家彼得·休尔公开了他的量子算法如何快速分解大数的质因数—分解一个1000位的数字，传统计算机大约需要耗费10京（1京=1万万兆）年的时间，而利用量子计算机的话，只需要20分钟左右。

为什么量子计算机这么强？传统计算机采用经典的二进制编码，每个比特只有一种状态，要么是0要么是1，而量子计算机的基本信息单位是量子比特，在同一时刻可以表达0或者1，这就是独特的量子叠加现象。N个量子比特会呈现2n种可能的状态，并且随着N的增大呈现出指数量级的增长。科学家估计，当N≥50时，量子计算机就会超越现有计算机的算力极限。

另一方面，量子叠加态也使得量子比特有着超高的存储能力。现有的存储器中，一个存储单元只存储一个比特，容量就是存储单元的数量之和。而量子存储器由于有量子叠加的特点，一个存储单元可以一次性存储1个量子比特的N种状态。假设有一个100量子比特的寄存器，理论上它的容量相当于1.26×1021 TB，远大于地球上所有电子存储容量之和。

量子纠缠是另一个奇妙的量子力学现象。纠缠的量子比特总是相互关联，即使它们相距无限远，我们也可以通过测量其中一个量子比特的状态，知道另一个量子比特的状态，而不需要直接测量。量子纠缠也可以用来实现量子传输，用来在量子计算机的不同部分之间实时传输信息。

量子计算机给予人类未来的想象空间是如此之大，近年来各国间的“量子霸权竞赛”如火如荼。2011年起，加拿大、美国先后推出了自研的量子计算机初代产品，中国是世界第三个具备量子计算机交付能力的国家。2023年2月，中国第一家量子计算公司本源量子实验室开放参觀，仅限30人，且全程不允许拍摄，至今人们仍不知道这些幸运儿看到了什么。

在这一片远大光明的前景中，实际上，量子计算机的硬件设备仍然处于发展初期。

稳定性是量子计算机当前面临的最大挑战。叠加、纠缠这样的量子态非常微妙，很容易受到外界环境的影响而发生变化，这意味着量子计算机必须在极好的控制条件下运行，比如极低的温度、极有限的空间，以保护它们免受任何环境“噪音”的影响。量子态的脆弱性意味着量子计算机还不能准确地产生大型计算链。

另一个问题是通用性。计算机有专用计算机与通用计算机之分，目前所谓的量子计算，几乎都是建立在特定任务的专用计算基础上的。在特定任务上，量子计算确实展现了优势，但在绝大多数任务上仍然比不上普通计算机。目前已经制成的量子计算原型机，还称不上具有实用价值。

今天，量子计算机研究的意义仍然局限于验证量子计算的可行性—要知道，从可行性验证到试验机、量产机，再到走向商业化，其间需要经历漫长时间与无数难以想象的挑战。目前量子计算技术与产业正齐头并进，超导体、光量子、离子阱、中性原子等研究方向“百花齐放”，最终“花落谁家”仍是未知数。