在一場(chǎng) 24 小時(shí)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)里，看見(jiàn)未來(lái)

波士頓的周日清晨，初雪未消。

根據(jù) MIT iQuHACK 的官方日程表，此刻正值上午 9:00。對(duì)于身處坎布里奇（MIT 校園內(nèi)）線下賽場(chǎng)的學(xué)生們來(lái)說(shuō)，這不僅僅是一個(gè)早晨，而是一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá) 24 小時(shí)的腦力馬拉松的終點(diǎn)。

從周六上午 10:00 的啟動(dòng)儀式，到通宵的開(kāi)發(fā)，再到現(xiàn)在的代碼凍結(jié)，時(shí)間在這里被折疊了。我有幸通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，以一個(gè)線上參賽者的身份，旁觀并參與了這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

很多人問(wèn)我，為什么要在這個(gè)周末，去關(guān)心一場(chǎng)發(fā)生在地球另一端的比賽？

我想，或許是因?yàn)槲覀兌枷肟纯矗?strong>當(dāng)人類最前沿的理論物理，遇上最暴力的計(jì)算工程，會(huì)發(fā)生什么。

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第一章

什么是“黑客松”？

“黑客松”（Hackathon）這個(gè)詞，聽(tīng)起來(lái)總帶著點(diǎn)破壞性。大眾往往以為是一群蒙面人在攻擊銀行的防火墻。

其實(shí)不然。如果把寫代碼比作蓋房子，平時(shí)的軟件開(kāi)發(fā)像是在修筑萬(wàn)里長(zhǎng)城，需要經(jīng)年累月的規(guī)劃；而黑客松，或許叫它“24 小時(shí)極限筑巢大賽”更為合適吧。

主辦方給你一堆木頭（數(shù)據(jù)）、錘子（算法）和釘子（算力），要求你在一天一夜里，從無(wú)到有，搭出一個(gè)能遮風(fēng)避雨的房子。

它考驗(yàn)的不是你背了多少書，而是你解決問(wèn)題的直覺(jué)。在 MIT iQuHACK，這個(gè)挑戰(zhàn)更特殊一些——我們手里的錘子，是量子計(jì)算。

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第二章

我們?cè)谒闶裁?？（五道關(guān)于自然的思考題）

這次比賽，我有機(jī)會(huì)翻閱了所有的“考卷”（GitHub 代碼倉(cāng)庫(kù)）。拋開(kāi)那些復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，這些賽題本質(zhì)上，都是人類在向大自然提問(wèn)。

我們可以把這五道題，看作五個(gè)物理寓言。

1. 尋找最低的能級(jí)（NVIDIA Challenge）

核心：QAOA 與 LABS 問(wèn)題

這道題的學(xué)術(shù)名稱叫 LABS（低自相關(guān)二元序列）問(wèn)題。在物理上，它對(duì)應(yīng)的是一個(gè)復(fù)雜的哈密頓量系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，我們的工作是在一個(gè)巨大的解空間里，找到系統(tǒng)能量最低的那個(gè)基態(tài)。

被廣泛使用的QAOA 算法，是一種經(jīng)典的“量子-經(jīng)典混合”算法。它利用量子線路制備出參數(shù)化的量子態(tài)，再通過(guò)經(jīng)典優(yōu)化器不斷調(diào)整參數(shù)，逼近基態(tài)能量。

想象你站在一片漆黑的崇山峻嶺中，任務(wù)是找到海拔最低的山谷。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的做法叫“爬山法”，摸黑走一步，很容易被困在一個(gè)小山溝里（局部最優(yōu)）。而量子算法利用了“量子隧穿”效應(yīng)。它像水流一樣，不需要看地圖，能同時(shí)探索所有路徑，直接穿過(guò)小土坡，流向真正的最低點(diǎn)。

▲QAOA 算法如何在起伏不定的復(fù)雜能量景觀中尋找最低點(diǎn)（基態(tài)）的 3D 示意圖

LABS 序列在高性能雷達(dá)和5G 通信中至關(guān)重要。序列的自相關(guān)性越低，雷達(dá)信號(hào)的旁瓣干擾就越小，看得就越準(zhǔn)。

2. 操控微觀的排斥力（QuEra Challenge）

核心：里德堡阻塞

賽題的核心物理機(jī)制叫做 “里德堡阻塞”。當(dāng)我們將一個(gè)原子激光激發(fā)到高能級(jí)的“里德堡態(tài)”時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生巨大的電偶極矩，導(dǎo)致距離它 Rb 半徑內(nèi)的其他原子能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，從而無(wú)法被激發(fā)。這種條件激發(fā)機(jī)制，正是構(gòu)建量子邏輯門（如 CNOT 門）的基礎(chǔ)。

就像是在微觀世界吹氣球。如果你把一個(gè)原子吹大（激發(fā)它），它就會(huì)霸占周圍的空間，旁邊的原子就怎么也吹不起來(lái)了。

我們不再用電線連接邏輯門，而是像上帝一樣，用光鑷把原子擺成特定的幾何形狀，利用它們之間天然的“排斥力”來(lái)傳遞信息。

▲里德堡原子可以被捕獲在光鑷陣列中。處于里德堡激發(fā)態(tài)（紅色）的原子的存在會(huì)使附近原子（藍(lán)色）的能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，從而阻止驅(qū)動(dòng)場(chǎng)（黃色箭頭）將它們激發(fā)到里德堡態(tài)

在算法應(yīng)用層面，這類系統(tǒng)特別適合映射圖優(yōu)化問(wèn)題（如最大獨(dú)立集 MIS）。在物流調(diào)度、金融組合優(yōu)化領(lǐng)域有巨大的潛力。

3. 驗(yàn)證世界的非定域性（Alice & Bob / IQM）

核心：貓態(tài)編碼與 CHSH 不等式

Alice & Bob 賽道關(guān)注的是量子糾錯(cuò)問(wèn)題。他們采用“貓態(tài)編碼”，利用諧振腔中的光子數(shù)奇偶性來(lái)編碼信息。由于光子損耗屬于連續(xù)誤差過(guò)程，這種編碼方式可以在一定程度上同時(shí)承擔(dān)被動(dòng)糾錯(cuò)與主動(dòng)糾錯(cuò)功能。

IQM 賽道則更偏向量子基礎(chǔ)物理。參賽者需要編寫量子線路測(cè)量 CHSH 關(guān)聯(lián)函數(shù) S。在經(jīng)典定域?qū)嵲谡摽蚣芟?，|S| ≤ 2；而在量子力學(xué)中，其理論上限為 2√2。當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過(guò) 2 時(shí)，意味著系統(tǒng)表現(xiàn)出量子非定域關(guān)聯(lián)。

如果用更直觀的方式理解，大家熟知的“薛定諤的貓”，既死又活，一碰就坍縮。但“貓態(tài)編碼”讓這只貓擁有了九條命，雖然處于疊加態(tài)，卻能自我修復(fù)錯(cuò)誤。 而 CHSH 實(shí)驗(yàn)則是為了證明“幽靈般的超距作用”真實(shí)存在。當(dāng)我們?cè)诖a里跑出大于 2.0 的數(shù)值時(shí)，我們實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，前者是制造容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)（FTQC）的必經(jīng)之路；后者則是檢驗(yàn)量子計(jì)算機(jī)保真度和糾纏能力的金標(biāo)準(zhǔn)。

▲布洛赫球上的量子態(tài)演化軌跡

4. 概率幅的干涉（State Street – 金融）

核心：量子振幅估算（QAE）

這是 Grover 搜索算法的變體。在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中，誤差收斂速度是 O(1/√N(yùn))；而 QAE 算法利用酉算子的特征值估計(jì)，將收斂速度提升到了 O(1/N)，實(shí)現(xiàn)了二次加速。

經(jīng)典方法像扔飛鏢，扔一百萬(wàn)次才能統(tǒng)計(jì)出概率。這很笨，也很慢。 量子算法利用的是波的干涉。我們?cè)O(shè)計(jì)一種程序，讓代表“錯(cuò)誤答案”的概率波互相抵消（波峰遇波谷，變成平靜水面），讓代表“正確答案”的概率波互相疊加（波峰遇波峰，變成巨浪）。不需要扔一百萬(wàn)次，只需要看哪里浪最高，哪里就是答案。

▲當(dāng)不同量子態(tài)的概率振幅相互作用，影響某些事件發(fā)生的概率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一種稱為量子干涉的現(xiàn)象。量子干涉在量子計(jì)算中被用來(lái)抵消錯(cuò)誤答案，并提高正確答案的概率。

在現(xiàn)實(shí)中，這個(gè)問(wèn)題對(duì)應(yīng)著金融界最關(guān)心的 VaR (風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值) 計(jì)算：傳統(tǒng)方法需要消耗巨大的算力進(jìn)行蒙特卡洛模擬，而量子算法能在極短時(shí)間內(nèi)，給出更精確的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，這對(duì)高頻交易和風(fēng)控至關(guān)重要。

5. 預(yù)測(cè)指數(shù)墻（Quantum Rings）

▲通用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (QNN) 結(jié)構(gòu)。

核心：指數(shù)級(jí)狀態(tài)空間

量子系統(tǒng)的狀態(tài)空間隨著粒子數(shù) N 呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（2N）。當(dāng) N=50 時(shí)，存儲(chǔ)這個(gè)狀態(tài)所需的內(nèi)存就已經(jīng)超過(guò)了當(dāng)今最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這就是所謂的“指數(shù)墻”。 這個(gè)賽題引入了機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)量子電路的特征（指紋），從而預(yù)測(cè)其運(yùn)行結(jié)果。

好比是預(yù)測(cè)天氣。當(dāng)蝴蝶扇動(dòng)翅膀所帶來(lái)的變量太多，目前算力就無(wú)法承載了。 既算不動(dòng)，不如讓 AI 去“猜”?？匆谎垭娐穲D，就預(yù)測(cè)它運(yùn)行起來(lái)需要多久、精度如何。這其實(shí)是在側(cè)面承認(rèn)人類當(dāng)前算力的局限性，并試圖用另一種智慧（AI）去在墻上鑿開(kāi)一條縫隙。

這也正是量子芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的關(guān)鍵。在造出真正的千比特量子計(jì)算機(jī)之前，我們需要先知道“它應(yīng)該算成什么樣”。

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第三章

結(jié)語(yǔ)——在云端仰望

比賽結(jié)束了。

透過(guò)直播的鏡頭，在那場(chǎng)簡(jiǎn)短得甚至有些草率的頒獎(jiǎng)禮上，我觀察到了一個(gè)細(xì)節(jié)。

上臺(tái)領(lǐng)獎(jiǎng)的年輕人們，幾乎沒(méi)有人穿正裝。他們大多穿著標(biāo)志性的連帽衛(wèi)衣，背著那只從未離身的雙肩包。

那種神情，行色匆匆。

他們似乎并不認(rèn)為這是一個(gè)終點(diǎn)，反而像是在車站等待換乘的旅客。眼神里透著一種“未完待續(xù)”的緊迫感——仿佛下一秒，他們就要背著包沖出禮堂。

去哪里？也許是回宿舍補(bǔ)那缺失的睡眠，也許是趕去波士頓的下一堂課，又或許，是他們腦子里的那行代碼還沒(méi)跑完，急著奔赴下一個(gè)未知的計(jì)算。

直播信號(hào)掐斷了，屏幕黑了下去。持續(xù) 24h 對(duì)于量子的極限探索之旅結(jié)束了，在現(xiàn)實(shí)里，我也該去補(bǔ)覺(jué)了。