量子計算最大的敵人，為什么可能成為它最大的朋友？

想象這樣一個場景。

你花費數(shù)十億美元，建造了一臺計算機。然后你發(fā)現(xiàn)，實驗室溫度升高千分之一度，會讓計算失敗。隔壁房間的電源波動，會讓計算失敗。一顆從銀河系某個角落射來的宇宙射線，打中芯片的某個位置，也會讓計算失敗。

這不是科幻，這是今天所有量子計算機每天面對的現(xiàn)實。

而最近，有一組科學(xué)家做了一件反直覺的事：他們沒有繼續(xù)想辦法消滅這些干擾，而是開始主動制造它，主動控制它，主動研究它。

這個思路的轉(zhuǎn)變，可能比任何一臺更強大的量子芯片，都更接近量子計算真正走向?qū)嵱玫哪菞l路。

你的手機掉在地上，摔得屏幕都碎了，還能正常使用。你的電腦在夏天高溫下運行，風(fēng)扇嗡嗡作響，計算結(jié)果依然是對的。

為什么？

因為傳統(tǒng)計算機里的晶體管，只需要區(qū)分兩種狀態(tài)：高電壓和低電壓，也就是1和0。即使受到干擾，電壓稍微偏了一點，系統(tǒng)依然能夠判斷出這是1還是0——只要偏差不大到跨越判斷閾值，計算就不會出錯。

這是一種天然的魯棒性。信息被編碼成宏觀的、有明顯區(qū)別的物理狀態(tài)，小的擾動不會改變狀態(tài)的本質(zhì)。

量子計算機的情況，完全不同。

量子比特可以同時處于0和1的疊加狀態(tài)。不只是"要么0要么1"，而是"同時既是0又是1"，而且這兩種狀態(tài)之間還有精確的相位關(guān)系——就像兩個音叉同時振動，產(chǎn)生特定的干涉模式。量子計算的能力，正來自于這種疊加和相位的精確控制。

但也正因為如此，量子比特極其脆弱。任何微小的外界擾動，都可能破壞這種精確的疊加狀態(tài)，讓量子信息消失。物理學(xué)家把這個過程叫做退相干。

普通計算機，像一個足球放在草地上，輕推一下，它只是滾了一下，穩(wěn)定性基本不變。量子比特，像一根豎立在針尖上的鉛筆，輕輕一碰，就倒了。

2021年，Google的Sycamore量子處理器實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)錯誤率在某些時間段會突然升高。原因之一，就是宇宙射線穿過屏蔽層，擊中了芯片，瞬間破壞了大量量子比特的狀態(tài)。這不是設(shè)備故障，而是宇宙本身在"干擾"這臺計算機。

如果量子計算機如此難伺候，為什么IBM、Google、微軟、英特爾，以及幾乎所有主要國家政府，都在把數(shù)十億美元押在它上面？

答案在于，經(jīng)典計算機正在逼近它的物理極限。

過去幾十年，晶體管越做越小，計算速度越來越快。但現(xiàn)在，晶體管已經(jīng)縮小到只有幾個原子的尺度。再小下去，量子效應(yīng)開始干擾電流，電子會隨機穿越本該阻止它們的絕緣層——這個現(xiàn)象叫量子隧穿，是量子力學(xué)的基本特性，無法用工程手段消除。

經(jīng)典計算的路，在物理層面快走到頭了。

而量子計算提供的，是一種完全不同的計算方式。

經(jīng)典計算機解決問題，是一次嘗試一個答案。量子計算機利用疊加態(tài)，理論上可以同時探索大量可能的答案，對特定類型的問題，這帶來指數(shù)級的速度提升。

最著名的例子是密碼學(xué)。現(xiàn)在保護全球互聯(lián)網(wǎng)通信的RSA加密，安全性建立在一個數(shù)學(xué)事實上：把兩個大質(zhì)量數(shù)相乘很容易，但把一個大數(shù)分解成兩個大質(zhì)量數(shù)的乘積極其困難，經(jīng)典計算機需要天文數(shù)字的時間。但量子計算機運行的Shor算法，可以在多項式時間內(nèi)完成這件事。一臺足夠強大的量子計算機，可以讓現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)加密體系在理論上不再安全。

另一個例子是藥物研發(fā)。設(shè)計一個新藥分子，需要精確理解它的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。這需要模擬量子力學(xué)方程，而量子力學(xué)方程的復(fù)雜度隨著分子大小指數(shù)級增長，經(jīng)典計算機無法應(yīng)對。量子計算機天然就生活在量子世界里，模擬量子系統(tǒng)正是它的強項。

這就是為什么值得賭。但量子計算真正的敵人，從來都不是算法設(shè)計，而是物理環(huán)境。

量子疊加狀態(tài)，依賴一件事：量子相位的精確一致性。

你可以把量子比特想象成一個交響樂團里的樂手。每個樂手在演奏同一個音符，但必須節(jié)拍完全同步，才能產(chǎn)生和諧的音樂。量子計算的能力，來自所有量子比特的"同步演奏"。

退相干，就是樂團里有人跑拍了。

當量子系統(tǒng)和外界環(huán)境發(fā)生任何形式的相互作用——熱振動、電磁場、聲波、材料里的雜質(zhì)原子——量子信息就會泄漏進環(huán)境里。從量子力學(xué)的角度看，這等價于環(huán)境在"測量"量子比特。

這里有一個量子力學(xué)最反直覺的特性：在量子世界里，被環(huán)境碰一下，和被人觀測一次，在數(shù)學(xué)上是等價的。任何相互作用都會讓量子疊加態(tài)向某個確定的狀態(tài)坍縮，信息消失了。

薛定諤的貓，那個同時既死又活的貓，本質(zhì)上就是在演示退相干。之所以我們在日常生活中從未看到"既死又活"的貓，不是因為這種狀態(tài)不可能存在，而是因為一只宏觀的貓，和周圍環(huán)境的相互作用如此密集，相干時間極短，疊加態(tài)在任何可測量的時間尺度上都已經(jīng)坍縮了。

量子比特也面臨同樣的問題。即使在極低溫下，相干時間通常也只有微秒到毫秒的量級。在這么短的時間里，必須完成所有計算，然后讀出結(jié)果。

整個量子計算行業(yè)在過去幾十年里，一直在做同一件事：把量子系統(tǒng)和宇宙的其他部分隔離開來。

這件事有多難，從溫度要求就能看出來。超導(dǎo)量子芯片需要在約15毫開爾文的溫度下運行。這是什么概念？宇宙微波背景輻射——大爆炸留下的余熱，彌漫在整個宇宙——溫度是2.7開爾文。量子計算機的工作溫度，比宇宙中最冷的自然背景還要低180倍。

實現(xiàn)這個溫度需要復(fù)雜的稀釋制冷機，體積龐大，造價昂貴，運行需要消耗大量能源，維護極其復(fù)雜。

不同的技術(shù)路線用不同的方式應(yīng)對這個挑戰(zhàn)。離子阱用激光把單個離子懸浮在真空中，讓它們幾乎與任何固體材料隔離，量子比特的相干時間因此比超導(dǎo)方案長得多，但操控速度較慢，擴展到大規(guī)模系統(tǒng)也更難。光子量子計算利用光子天然不受電磁干擾的特性，但操控和探測精度是新的挑戰(zhàn)。中性原子路線用光鑷——就是高度聚焦的激光束——抓住單個原子，靈活性很高，但同樣有自己的局限。

每條路線都在和退相干作戰(zhàn)。但越來越多的科學(xué)家開始意識到，這場戰(zhàn)爭可能永遠贏不了。

宇宙射線無法被完全屏蔽，熱噪聲無法被完全消除，材料缺陷無法被完全避免。在現(xiàn)實條件下，量子比特總會有噪聲。問題是：我們真的需要消滅噪聲才能前進嗎？

飛機不會消滅空氣阻力，它學(xué)會了在阻力中飛翔。輪船不會消滅海浪，它學(xué)會了在海浪中航行。互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包會丟失、延遲、亂序，但TCP/IP協(xié)議把這些失敗當成正常情況來設(shè)計，在不可靠的通道上建立了可靠的通信。

最近這項研究的核心思路，正是同樣的轉(zhuǎn)變：不是消滅噪聲，而是研究噪聲、理解噪聲、最終馴服噪聲。

研究團隊開發(fā)了一種新型量子芯片，能夠主動地、精確地制造特定類型的噪聲：可以調(diào)節(jié)噪聲的強度，調(diào)節(jié)噪聲的頻譜特性，調(diào)節(jié)它作用在哪些量子比特上，調(diào)節(jié)它以什么速度退化量子態(tài)。

這聽起來像是在給自己制造麻煩，但邏輯很清楚：如果你想開發(fā)量子糾錯技術(shù)，你需要能夠精確控制問題的類型和程度，才能測試你的解決方案是否真的有效。

這就像汽車安全研究。要測試安全氣囊和車身結(jié)構(gòu)，你需要做碰撞測試，而且需要精確控制碰撞的速度、角度、力度，才能系統(tǒng)地評估保護效果。你不能等著隨機的事故發(fā)生來收集數(shù)據(jù)。

量子計算也一樣。真正的大規(guī)模量子計算機，一定會在充滿噪聲的現(xiàn)實條件下運行。開發(fā)出能夠在噪聲環(huán)境中穩(wěn)定工作的算法和糾錯方案，需要一個能夠精確模擬和控制噪聲的實驗平臺。這正是這項研究提供的東西。

量子糾錯的難度，超出了大多數(shù)人的直覺。

經(jīng)典計算機糾錯，邏輯很簡單：把重要信息復(fù)制三份，如果一份出錯，兩份對的投票就能糾正錯誤。或者用奇偶校驗位來檢測錯誤。方法有很多，都行之有效。

量子比特沒辦法這樣做。量子力學(xué)有一條基本定理：不可克隆定理。你無法復(fù)制一個未知的量子態(tài)。如果可以，你就等于在不測量的情況下提取了量子信息，而量子力學(xué)不允許這件事。

更麻煩的是，量子力學(xué)的測量本身就是破壞性的。你讀取一個量子比特，它就坍縮了，疊加態(tài)消失了。要糾錯，你需要知道哪里出了問題，但知道這件事的過程本身就會毀掉量子信息。

物理學(xué)家花了幾十年，才找到一種繞過這些限制的方法：表面碼。

表面碼的思路是：不直接讀取存儲信息的量子比特，而是讀取周圍的"輔助"量子比特，這些輔助比特的狀態(tài)能夠告訴你，信息量子比特有沒有出錯，在哪里出錯，出了什么類型的錯誤——而不需要直接觀測信息本身。

這套方法的代價是驚人的資源消耗。一個能夠可靠運行的邏輯量子比特，可能需要成百上千個物理量子比特來支撐。

這意味著什么？破解目前主流的RSA2048加密，理論上需要幾千個可靠的邏輯量子比特。但每個邏輯量子比特背后需要數(shù)千個物理量子比特，最終可能需要數(shù)百萬個物理量子比特。而目前最先進的量子計算機，只有幾千個物理量子比特。

道路還很漫長。但更清楚地理解噪聲，是走上這條路的必要前提。