## 怎样理解Google的量子计算突破？

本周Google宣布推出一个新的量子芯片，叫Willow，号称能用五分钟完成当今最快的超级计算机需要10^25年 —— 也就是1后面25个0，远远比宇宙年龄还长的时间 —— 才能算完的计算，引起轰动。

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这是一项非常了不起的突破，这不是量变而是质变，不是攻下一个山头而是打开了广阔的发展通道，也许值一个诺贝尔奖……但它可能不是你想的那种了不起。

这一讲咱们先抑后扬，先说说量子计算机不能做什么，再说这次突破到底厉害在哪。这样你就能有一个观察量子计算机进展的正确眼光。

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我们专栏以前讲量子力学专题的时候说过量子计算机 [1]，这里我用更通俗的方法再讲讲，为什么量子计算机*做某些任务*比传统计算机快呢？

根本原因是量子比特（qubit）是处于叠加态。传统计算机的一个比特，*要么*就是0，*要么*就是1，只能代表一个数。而量子比特却可以*既是0又是1*，它可以是0和1任意比例的叠加态：比如它可能有30%的概率是0，70%的概率是1，或者49%的概率是0，51%的概率是1……

关于量子叠加态是怎么回事儿你可能得去看看我们的量子力学专题，但这里的要点是，一个量子电路，可以同时代表传统电路的很多很多个状态。

这就意味着你对这个量子电路操作一次，就等于对相应的传统电路操作很多很多次。下面我做一个非常直观的类比。它并不很精确，但是容易看明白。

想象这里有一个湖，湖水上方有一个光源 S，水面下方有一个点 D。现在我们想知道，光线从S点到D点，走的是什么样的路线？它不是一条直线，因为光线会在湖水表面发生一次折射。关键在于那个折射点是在哪里。

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传统的计算方法，就相当于把水面上每个折射点都考虑一遍，这样就有无数条路线，把每条路线都算一遍，看看怎么走从S点到D点最快，真实路径就是最快的路径。这是巨大的计算量。

而量子方法，则是真的给你做一次实验，让光*同时*沿着所有可能的路径从S点往D点走，最终的真实路径是所有这些路径的叠加态。每条路径有不同的波函数，它们会互相抵消，最终只留下真实路径。在我们这个例子里真实路径只有一条，但在别的情境下真实路径可以是一个概率分布。

传统方法是一个一个地算，量子方法是全都参与进来一起算，这就是本质区别。

而量子计算机能这么做的前提是你必须确保那些所有可能的路径都参与进来，而这就要求它们的量子态必须互相协调，只有这样才能发生干涉和抵消。这是一个难点，咱们等会儿再说。

现在你只要知道，量子计算机的一次操作，能代表传统计算机的很多很多次操作。

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道理是简单，但真造出一台量子计算机来，选一个问题，让它操作一番，而这番操作对传统计算机 —— 严格的说法叫「经典」计算机 —— 很费力，还是很不容易的。Google在2019年做成了这件事，它选了一个为量子计算机量身定做的问题。

这个问题叫「随机电路取样（Random Circuit Sampling）」。

想象你有一台量子计算机，它的电路是由若干个「量子门」，也就是量子的逻辑门组成。这跟经典芯片有逻辑门是一个意思。现在我们在量子芯片上选择若干个量子门，它们就组成了一个随机电路。把这个电路中所有量子门的初始量子态都设成零，让它演化一段时间，请问最终得到的结果会是什么？

是一大堆01的组合。有时候是这样的，有时候是那样，毕竟这里有量子随机性，你必须多做几次实验，得到一个概率分布。

好，现在请问，如果让你用一台经典计算机来预测那个概率分布，你需要多长时间？答案是很长很长时间。这是因为每个门开关的概率都得考虑到，你得把各种可能的电路走法都想一遍，就相当于前面说的把每条路径都算一遍，这里是天量的计算。

而对量子计算机来说，这本来就是一个量子事件，跑一遍就得到一个结果，多跑几遍就能得到结果的概率分布。注意因为量子随机性，你每次跑出来的结果是不一样的，所以答案不是一条唯一的路径 —— 但是考虑到各种相干相消，你已经自动过滤掉了很多路径，所以你不需要像经典计算机那样运算那么多次，就能得到一个稳定的概率分布。

关键在于量子计算机靠的是量子态的自然演化，而经典计算机只能调用指数级资源去模拟量子态。

在这个问题上，只要你这台量子计算机的逻辑门足够多，它就必然打败经典计算机。

2019年，Google的量子芯片首先在随机电路取样问题上打败经典计算机，所以叫做实现了「量子优越性（quantum supremacy）」—— 意思是在这个量身定做的问题上，它比经典计算机优越，而不是中国某些媒体说的什么“量子霸权”。

而2024年这个Willow芯片，只不过是用更复杂的芯片再次做成了同样的事情，所选的问题也还是随机电路取样，这里没什么本质不同。

“10的25次方年”一点都不值得吹嘘，因为你这里是量身定做的问题。这就好比说我也可以出一道题，保证全世界最强的AI做得都没我好：这个题就是请你用一个算法模仿我。你再怎么模仿也不可能比真正的我更像我！

随机电路取样是个合法的问题，但这并不等于说量子计算机已经成了传统计算机的威胁。

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现实是量子计算机并不能用来解决所有的传统计算问题 —— 它只能用来处理很有限的一些问题。

或者我们应该这么说：你想用量子计算机求解一个什么问题，就必须先发明对应的量子算法才行 —— 可是直到目前为止，科学家只发明了非常少的几个量子算法，只能解决几个特定的问题。

比如说著名的「秀尔算法（Shor's algorithm）」，能让量子计算机用于质因数分解。因为主流的加密系统高度依赖质因数分解，所以原则上量子计算机可以用来破解密码。有些人甚至据此说Google的量子芯片已经对比特币构成威胁……这是极其夸大的说法，那需要几百万甚至几亿个量子比特才行。目前的量子计算机做质因数分解也就算个 3×5、5×7 之类。

另一个量子算法叫「格罗弗（Grover）算法」，用于搜索。比如从一大堆输入值里找到最可能得到特定输出值的解，经典计算机需要一个一个试，量子计算机可以“一起”试。

量子算法一种潜在的大用是线性代数操作，比如矩阵乘法之类。

这个要点是，量子算法只能一个一个被科学家发明。这里没有系统性的办法能把任何经典计算操作直接翻译成高效率量子操作。

事实上有很多最简单的经典操作，比如复制一个比特、从内存中特定的位置读取数据，量子操作极为困难；有些问题，比如在一个已经排序的列表中寻找特定目标，经典操作比量子操作更快。

所以量子计算机不会、也不能取代传统计算机，它只适合做一些非常特殊的问题。这些问题可能包括预测复杂物理现象、分子建模、供应链优化、金融风险分析和药物合成等等。

那你说量子计算机会不会取代GPU，用于训练大语言模型呢？也不太容易。大语言模型涉及到大量线性代数运算，这些可以用量子计算机加速；但训练用的语料和输出的文本都是经典的信息，处理这些信息对量子计算机来说非常麻烦。

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这两天X上还流行一个俏皮的说法，说“量子计算机就是调用了多宇宙力量的GPU”。

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还有我们专栏熟悉的物理学家麦克斯·泰格马克（Max Tegmark）也说，如果能在量子计算机上运行ChatGPT，那就等于一个拟人AI同时拥有无数个不同的经历，这证明了多宇宙是真的……

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我要澄清的是这些说法只是哲学思辨，或者说是诗意的解读 —— 现实是量子计算机再厉害，也不能证明「多宇宙假说」是对的。

量子力学的确有个「多世界解释」 [2]，说每一次量子随机过程发生的时候，世界都分叉了；无数个平行宇宙共同参与了这一次量子事件，每一种可能性都在某一个宇宙中真实发生……这只是一种解释，一个说法，而且它目前为止不能提供任何可观测的验证方法。

要点在于，当你用量子计算机做计算的时候，哪怕它效率再高，它也没有调用别的平行宇宙的力量！这里能量是守恒的。

量子计算机并不能带你穿越平行宇宙。

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那Google这次突破到底厉害在哪呢？厉害在它一下子解决了两个根本性的难题 [3,4]。

我们前面说了，要想让量子计算机好使，它的各个量子比特就必须保持相干（coherent）状态，简单说就是波函数在同步共振。可是稍微有点干扰进来，相干性就会被破坏掉。而且我们不难想象，你这个芯片上的量子比特越多，相干性就越不容易保持。

这就是为什么真实的猫并不能像「薛定谔的猫」那样处于死和活的量子叠加态 [5]，它太大了，立即就会退相干。

可是Google这次芯片的量子比特明明比上一代更多，它们保持相干的时间却从20微秒增加到了100微秒！

更大的难点是芯片的纠错。任何计算机，包括经典计算机，都会随时发生某个比特出错的事情，这就需要纠错，最直观的办法就是把每个比特都做个备份。量子比特更容易出错，可是量子力学又禁止直接复制一个量子比特，所以纠错就更麻烦。此前有个说法是科学家在未来几十年都会被纠错问题困扰……

而Google这次却是发明了一个实时纠错的办法，能让量子比特越多，出错率反而越低！跟上一代芯片相比，Willow的总出错率降低了整整20倍。

具体怎么做的我不懂，思路大约是用若干个量子比特组成3×3或者7×7的方阵，叫做「逻辑量子比特（logical qubits）」，这样方阵里有一个比特出错了也没关系。方阵越大，出错的概率就越低。

把相干时间和实时纠错结合起来，Google这次等于是发现，你的量子芯片越大，它反而会越容易保鲜、越不容易出错！

这就是边际效益递增，这就是找到了缩放定律，这就打开了把量子芯片做大做强的道路。

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简单说，量子计算机仍然十分弱小，但是Google这次突破证明，它的潜力是巨大的，它是可行的！量子芯片将从此变成一个严肃的业务，而不再是少数几个物理学家和工程师的玩具。

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注释

[1] 量子力学21：量子计算难在哪？

[2] 量子力学18：道门法则

[3] https://technologymagazine.com/articles/how-googles-willow-is-a-quantum-leap-in-computing-tech

[4] https://quantumcomputingreport.com/google-unveils-the-105-qubit-willow-chip-and-demonstrates-new-levels-of-rcs-benchmark-performance-and-quantum-error-correction-below-the-threshold/

[5] 量子力学17：猫与退相干

### 💡 精华要点
- 1.量子计算机的优势不是全面超越传统计算机，而是在特定问题上表现出色。它不能取代传统计算机，只适合解决一些非常特殊的问题。
- 2.Google这次突破的关键不是简单的性能提升，而是解决了量子比特相干性和纠错两个根本性难题，为量子计算机大规模发展铺平了道路。
