屡登顶级期刊封面

2020 年 8 月 28 日，在顶级期刊《科学》杂志的封面上，印着一个奇怪的画面。在黑色的背景上，一个类似于计算机芯片的东西，向下投射出一束神秘的蓝光。在蓝光的映照下，飞舞着一些有机化学分子。

这是谷歌公司的量子计算芯片在不到一年的时间里，第二次登上顶级期刊的封面。封面上那个类似于计算机芯片的东西，正是谷歌公司的量子计算芯片，而那些飞舞在《科学》杂志封面上的有机物，则是一种简单的化学物质，名叫二氮烯。

这篇论文里说[1]，

谷歌公司成功地用 12 个量子比特，模拟了二氮烯这种物质的异构化反应。

大家可能还记得，在 2019 年 9 月底的时候，谷歌公司用 53 个量子比特的的量子计算机实现了所谓的量子霸权，从而登上了顶级期刊《自然》杂志的封面[2]。

量子霸权是指:在某一个特定的计算问题上，量子计算机在计算速度上对经典计算机实现了碾压式的超越。所以我觉得更好的译法应该是“量子计算优势”。不过，这个特定的计算问题可以是特别设计出来的，不需要考虑实用价值。

于是，量子霸权成为了一个里程碑式的存在。但是，谷歌公司显然对实现量子霸权并不满足。他们许下宏愿说，一年之内，要用这台量子计算机完成一次化合物的模拟。果然，不到一年时间，谷歌公司就把这件事儿做成了。所以，新闻一出，科学爱好者们立即就沸腾了。因为有机物质空间结构的模拟，那是出了名的计算量大，计算难度高。这几乎就是量子计算机得天独厚的领域。还有一些新闻媒体做出了大胆的解读和猜测，能模拟有机物，那是不是很快就能模拟蛋白质了?是不是阿尔兹海默症、帕金森症这些疾病，很快就能攻克了?

但是，有点儿遗憾的是，在仔细看了谷歌公司的论文后就能发现，事情并没有媒体们猜测的那么乐观。谷歌量子计算机模拟的二氮烯这种物质，虽然算是有机物，但是它只包含 2 个氮原子和 2 个氢原子，也就是说，它只有 4 个原子。这与解决阿尔兹海默症那种高度复杂的蛋白质折叠问题相比，就好像是一块砖和一栋摩天大楼的差距。

其实早在 2017 年，IBM 公司就利用 7 个量子比特，模拟了氢化铍分子的特性[3]。氢化铍分子中有两个氢原子和一个铍原子，总共 3 个原子，只比谷歌公司这一次模拟的二氮烯，少了一个原子而已。

图:IBM 的量子计算机

所以，谷歌这一篇论文，其实只是证明了他们的量子计算机的实用价值而已，所以并没有实现有些媒体过度解读的那种“质的突破”。

听到这里，你可能会有疑问。IBM 模拟氢化铍用了 7 个量子比特，谷歌模拟二氮烯用了 12 个量子比特。可是，谷歌的量子计算机足足有 53 个量子比特呢，如果把所有的 53 个量子比特全部用于计算，是不是就能模拟更复杂的化合物了呢?为什么最好的量子计算机只有 53 个量子比特，让量子比特增加，到底难度在哪里呢?

量子计算与经典计算的不同

可能有人觉得，电子计算机和量子计算机，只相差一个字，应该一个用电子做计算，另一个则用量子做计算。其实，这个理解是错误的。电子计算机里的电子，指的并不是真正的电子，它指的是电子电路。虽然我们已经把计算机芯片的尺度缩小到了纳米级别，但是，这些电路依然与墙上的那些开关一样，是完全可控的。

而量子计算机里负责计算的元件可不是开关，那些都是真正的微观粒子。它们就像量子物理中描述的一样，没有确定的状态。我们只能用概率来解释它们的行为。

图:量子芯片

幼儿园小朋友算算数时，用的是掰手指头的方法来计算。掰手指头算算数，虽然又原始又缓慢，但它与太湖之光超级计算机的本质一样，都属于经典计算的范畴。虽然芯片中的每一个晶体管已经做得比病毒还要小，但是，这些晶体管依然是完全受控的。它们与手指头一样，都是受经典物理学定律指挥的。

与经典计算相对的，就是量子计算。

你可能听说过量子力学中的叠加态、测不准原理和量子纠缠这些奇怪的特性吧。量子计算机真的就是利用了量子力学的这些奇怪特性而设计出来的。

为了让大家能理解量子计算的独特之处，这里我们举几个高度简化的例子: