01
能力強大，但活多就出錯
二戰時期，為了破譯敵軍的密碼，計算機技術得到重用發展；為了製造核武器，量子理論上位——而這兩個“戰爭武器”的結合，就是我們現在關注的量子計算機。
對量子計算機的執著其實代表著人類對更強大計算能力的不斷追求，如今經典計算機的算力均已受限於摩爾定律，而量子計算機憑藉自己的“量子疊加態”特徵，被寄予更高的期望。
華為量子計算軟體與演算法首席科學家翁文康曾在論文中解釋，目前我們普遍使用的經典計算機的工作原理是基於“經典力學”的框架而設計，“1就是1，0就是0”。過去數十年間，計算機算力之所以能不斷提高，主要就在於工程師們將晶片中的元件越做越小。不僅一個單位內能放下更多電子元件，而且電流訊號從一個元件到另一個元件的距離也在不斷縮小，邏輯計算加速的同時能耗也在減少，可謂一舉多得——這就是所謂的“摩爾定律”。
不過摩爾定律的失效也是命中註定，因為物理元件不可能無止境的縮小，當摩爾定律失效，量子計算就變得格外迷人。量子計算機和經典計算機最大的差異，就是儲存和傳輸資料的基本單元“位元”被替換成“量子位元”（qubit）。
如上所述，經典計算機計算中，一個位元要麼是1要麼是0，然後透過電晶體中的電壓變化來表示；但是量子位元在同一時間可以既是1又是0，兩個量子位元的狀態可以同時處於00、01、10、11四個邏輯狀態，這就是“量子疊加態”。
所以說，當經典計算機一次只能處理、儲存一個資訊時，量子計算機可以存兩個。量子計算機的儲存計算能力可以表示為2的n次方，“n”表示量子位元的數量，量子計算的算力理論上可以得到指數級增長，這也是為什麼學界會說“經典計算機要算到地老天荒的問題，量子計算機可能幾個小時就解決了”。
其實量子演算法的核心，就是利用好這些量子疊加態來加速計算問題的求解速度。這也帶來了一個最需要解決的問題：如何讓系統長時間地保持穩定，減少錯誤率。
02
用另一種方式“程式設計”
量子計算機算力恐怖如斯，但其大規模的推廣和商業化也有諸多障礙，其中一個最主要的問題就在於其無法做“大”，因為它實在太容易出錯，即便是最輕微的擾亂（Local Noise），光也好、電磁也罷，都會導致計算結果出問題。所以它只能呆在接近絕對零度（約-273攝氏度）的容器裡，嚴嚴實實地封閉起來。
“在理想情況下，人們想把量子計算機做得越來越大，但不幸的是你不能執行量子演算法，因為坍縮會殺死一切。”義大利裡雅斯特大學理論物理學家安傑洛·巴西（Angelo Bassi）在接受媒體採訪時曾描述這一矛盾。
解釋一下，“坍縮”指的是量子物體從量子態演化到經典狀態的過程，如果出現坍縮，意味著粒子便已進入經典世界，不再處於量子疊加態了。
而當需要操控的量子位元數量越多，其系統內部和外部的相互作用也就越大，坍縮發生得也就越快；上面也提到了，量子態極其脆弱，任何溫度的變化或最輕微的振動都有可能導致坍縮，從而使量子計算發生錯誤。
為了降低出錯率，谷歌的思路是靠冗餘提升穩定性：一個量子位元不是不穩定嗎，那我就多來幾個抗干擾，出現錯誤的時候不就可以自我糾正了？
比如，經典計算機中一個位元0如果有一定機率出錯變成1，我們就把0複製三份變為000，那麼只要不是三個位元中有大於等於兩個位元同時出錯，我們總還是能把它糾正回來。
但量子位元有不可克隆、相位錯誤等特點，想要簡單的複製很難，必須要精心設計。既然用空間換取準確性的路子不太好走，那就打造一種能夠“自我糾錯”的量子計算機。
哈佛大學量子光學專家Mikhail Lukin的團隊就利用“中性冷原子陣列”做到了這一點。哈佛量子運算平臺建立在一組極冷且由鐳射捕捉的銣（rubidium, Ru）原子陣列上，陣列中的每一顆原子都作為邏輯量子位元存在，具有執行極快速運算的能力。
原子在計算過程中被編碼在原子內電子的兩個能級上，再使用能引起兩能級之間躍遷的鐳射去操縱這個電子的狀態，這樣就能透過移動與連線其他原子的方式，動態地改變該陣列中的原子佈局。
如果將一群原子全部聚集到邏輯量子位元中，這些經過自我校正的邏輯量子位元錯誤率，可能比單個原子的錯誤率還要低。
我們現在用的電腦可以透過程式自動執行，但是對於量子計算機，研究者一直沒找到控制的方法，所謂的“程式設計”根本無處下手。而這次哈佛團隊已經實現了可執行邏輯線路級別模擬的量子計算系統，甚至還製備、操控了48個邏輯量子位元執行任務，這遠遠超過了其他領先的量子計算技術路線，比如超導、離子阱等。最重要的是，這為未來量子錯誤的運算糾正和大規模量子計算奠定了基礎。
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編輯｜張毅
稽核｜吳新
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