哪些已解决,哪些还没有
我们先从一份诚实的成绩单说起。在已解决的那一边,基础物理是真实且可重现的。我们能用超导电路、离子阱以及其他平台造出量子比特;我们能让它们处于叠加态、在它们之间制造纠缠,并运行小型量子电路,其行为与数学预测分毫不差。我们已经亲眼见到Shor 算法分解了很小的数、Grover 算法搜索了很短的列表。理论是站得住脚的,这些都毫无疑问。
而在未解决的那一边,坐着真正重要的那件事:在人们真正在意的问题上,做出某件真正有用、且比任何经典计算机都更快或更好的事情。这一步仍在我们前方。今天的机器既嘈杂又规模小——这就是 NISQ 时代,在一段较长的计算完成之前,退相干就把你的量子态搅乱了。我们有令人印象深刻的演示,但我们还没有一台量子计算机,能在某个实际重要的问题上做得比经典方法更好。形容我们当下处境的诚实词汇是“有前景”,而不是“已证实”。
时间表与炒作周期
每当有人自信地给你一个具体年份——“量子将在 20XX 年攻破加密”或“有用的量子计算还有五年”——把它当作一个穿着西装的猜测。事实是没有人知道时间表,因为剩下最难的问题都是工程问题,而我们还无法精确衡量它们的难度。进展可能会突然加速,也可能因为某个顽固的噪声源停滞十年之久。这两种情况在别的技术里都发生过。
把两个炒作最爱混为一谈的说法分清楚会很有帮助。第一个是量子霸权(有时也叫“实验室里的量子计算优势”):一台机器在某项任务——往往是人为设计的任务——上做得比经典硬件更快,仅仅为了证明硬件越过了某条线。这类成果已被宣称过几次,其中一些后来被更聪明的经典算法追平了。第二个标准要高得多,那就是有用的量子优势:在一个真实的人确实想解决的问题上击败经典方法。第一个可以说已经发生了;而第二个,老实说,还没有。
容错这个里程碑
如果有一个里程碑能把“很酷的演示”和“改变世界的机器”区分开,那就是容错。物理量子比特很脆弱;它们失去相干性、累积错误的速度,比大多数有用算法所能容忍的还要快。解决办法是量子纠错:把一个可靠的逻辑量子比特的信息分散到许多物理量子比特上——采用像表面码这样的方案——这样在你计算的同时就能检测并纠正错误。
这里有个诚实的陷阱,被阈值定理所概括:只有当你的物理门保真度好到足以越过某个阈值时,纠错才会真正帮上忙——对于表面码,这个阈值大约是每次操作 1% 的错误率。低于这条线你就赢了;高于它,增加量子比特反而只会增加更多错误。如今在某些硬件上,我们已经接近或越过了这个阈值,这是实实在在的进展。但开销极其残酷:单个容错逻辑量子比特可能需要数百到数千个物理量子比特,而一台有用的机器需要许多逻辑量子比特来运行深层电路。这正是仍在攀登的那座大山。
现在谁该关注
那么,今天到底谁该认真关注,而谁又可以过几年再回头看看?最清晰的例子是密码学家和安全规划者。未来一台运行 Shor 算法的容错机器,将能攻破保护着当今大部分互联网的 RSA 与椭圆曲线加密。威胁还没到来,但今天被窃取的数据可以被存起来、日后再解密——所以向后量子密码学(专门设计来抵御量子攻击的经典算法)的迁移现在就在进行,而且这是正确的决定。
第二个清晰的群体是化学家和材料科学家。模拟量子系统——分子、反应、新型材料——正是量子计算机天生擅长的那类问题,而量子模拟被广泛认为是最有可能率先出现一个真实、诚实优势的地方。研究人员已经在今天这些嘈杂的机器上探索像 VQE 和 QAOA 这样的近期方法——它们有助于学习,尽管还没有击败最好的经典化学工具。如果这是你的领域,那就值得密切关注。
而对于几乎所有其他人——大多数软件工程师、企业以及好奇的学习者——诚实的建议是:理解它,但别拿你的路线图去押注它。你不需要为量子重写你的技术栈,而且你应该对任何兜售“量子驱动”消费品的人保持怀疑。学习真正的概念(你现在已经做到了)是价值最高的一步;其余的,可以等硬件配得上它的时候再说。
一个脚踏实地的结论
坦白地说,这就是我们如今所处的位置。量子计算是科学中最激动人心的构想之一,而工程上的进展是真实的——纠错正朝着正确的方向弯曲,硬件不断改进,Shor 与模拟背后的理论也很扎实。但与此同时,今天并没有大规模容错量子计算机,也还没有已证实的有用优势,更没有任何诚实的办法能向你承诺其中任何一个的日期。
正确的姿态既不是炒作,也不是不屑——而是脚踏实地的耐心。这是一项着眼长远的技术,在未来几十年里也许会悄然重塑化学、材料和安全,同时让计算的大部分领域保持原样。你现在已经懂得足够多,能从噪声中分辨出信号:下一个让人喘不过气的标题出现时,你可以问一句“对什么有用,又是跟什么相比——而且它容错了吗?”然后自己作出判断。这种清醒的好奇心,比任何预测都更重要,正是这个领域所需要的。