這兩天量子計算領域的突破有點令人匪夷所思，驚天地泣鬼神了，前兩天IBM才發布重磅量子芯片和量子計算機，今天哈佛大學又爆出一個巨大的“王炸”，是不是通用量子計算機很快就要，或者已經成為現實了呢？人類文明的新時代已經來臨？
這個王炸可能非常重要，因為哈佛大學直接在論文的摘要前寫道：“我們提供這份手稿未經編輯的版本，以便儘早了解其發現。在最終出版之前，手稿將進行進一步編輯。請注意，可能存在影響內容的錯誤，並且所有法律免責聲明均適用。”（見下圖）
IBM大突破和哈佛王炸
12月4日，IBM發布了1121個量子比特的Condor（禿鷹）量子芯片，這是世界上第一次將量子芯片的量子比特數突破到4位數。
但這可能只是IBM第二代量子芯片的最後輝煌，因為在同一天，IBM還發布了第三代量子芯片Heron（鷺），雖然只有133個量子比特，但卻比上一代芯片更強大。因為其性能比上一代提高了3到5倍，錯誤率減少了5倍，最關鍵的是，這種芯片可以互相連接起來，構建模塊化的量子計算機，IBM也利用3個Heron芯片，推出了世界上第一台模塊化的實用量子計算機IBM量子系統2。
IBM稱就像上世界第一台電子計算機出現前一樣，現在人類正處於量子計算機呼之欲出的前夜，而媒體也稱人類文明可能已再次處於大突破的巨變前夕。
然而才僅僅過了3天，今天哈佛大學就拋出了一個真正的大王炸，他們創造了一種全新的量子糾錯方法，可以把280個物理量子位變成48個邏輯量子位。粗略計算表明，這意味着他們實驗室的量子計算機性能，已經超過了IBM剛剛才宣布的史上最強量子芯片Condor的4倍！
這絕對是一個革命性的巨大進步！這意味着人類可能很快就可以進行快速的疫苗開發，精確的天氣預報，最可怕的是，現在政府和銀行企業廣泛使用的所有加密協議，都將可能被輕而易舉地破解，不管是社會安全號碼還是國家機密，都將在量子計算機下裸奔，而這一天可能很快就會到來。
搞懂量子糾錯
要理解這一切，你首先需要搞明白量子糾錯的概念。你別看現在量子芯片已突破了100個量子比特，1000個量子比特，然而突破得再多也沒有什麼卵用，因為這些量子比特，不管它是用低溫超導體做的，還是離子阱、光量子做的，都非常地脆弱。究竟有多脆弱呢？都不說你跺一下腳，吹一口氣了，它們處於微觀量子世界的環境，即使周圍溫度的細微變化，甚至就是原子間固有的晶格振動，互相之間的影響，都可能導致它們狀態的瞬間改變，這就叫退相干。
這就意味着很多時候根本來不及操作，量子比特就已經失效了，還怎麼進行計算呢？所以科學家們的一大任務，就是想方設法延長量子位的相干時間，目前已達到了微秒到毫秒級別，從而可以進行一系列的操作。
但這仍不足以構建量子計算機來進行複雜的計算，科學家們的另一大任務就來了，不是還來不及運算量子位就退相干失效了嗎？那我就多弄一些量子位，讓它們處於同樣的狀態，對它們進行多次測量，這樣即使少部分失效了，我只要測量其他的有效，就可以進行計算了啊。
這種由多個硬件量子位或物理量子位組成的量子位就叫做邏輯量子位，科學家們開發出很多算法來讓量子計算機進行可靠的計算，這些算法就叫做糾錯。所以量子位不是關鍵，糾錯才是關鍵，會糾錯者得天下！
問題是使用現有的糾錯算法，會浪費大量的物理量子位，因為需要1000多個硬件量子位相互作用，才能形成一個邏輯量子位。你想到什麼沒有？對了，IBM最新發布的世界第一的量子芯片Condor，1121個量子比特，用現在的糾錯算法，只能勉強形成一個物理量子位，所以你就知道現在幾十、幾百個量子比特的所謂量子計算機，為什麼根本不能算作真正的量子計算機了吧？因為壓根兒就沒法進行複雜的量子運算。
IBM之所以說自己取得了突破，是因為他們正在開發一種新的、更有效的糾錯技術，據說允許只用100個物理量子位來形成一個邏輯量子位，這意味着Condor相當於有10個可以進行真正量子計算的邏輯量子位。而Heron如果比第二代芯片Eagle糾錯好5倍的話，133個物理量子比特可能也就相當於幾個邏輯量子位。
哈佛大學的突破
而哈佛大學這項12月6日發表在《自然》雜誌的研究，利用精確的低功率激光束（業內稱之為“激光鑷子”）操縱單個原子來創建“量子電路”，從而可以更有效地糾錯。具體來說，研究人員利用激光給選定的原子注入能量，讓它進入所謂的里德伯態——原子中一個電子處於很高的激發態，這時候原子更容易與周圍的其他原子相互作用，從而形成量子糾纏的特殊關係，能夠同步行動。
這樣科學家們就可以通過控制激光束的開關來調節原子的“興奮”程度，改變它們之間的互動方式，從而把它們組成一種特殊的量子比特，可以進行更穩定、更準確的計算。如果測量結果表明原子處於錯誤狀態，那麼團隊便可以使用激光束來將原子糾正到正確的狀態。
哈佛團隊的這種方法非常有效，他們僅僅使用了280個物理量子比特，就形成了48個邏輯量子位，比現有技術的糾錯效率提高了200倍，即使是比起IBM正在開發的糾錯技術的最好效果，也要好20倍！
我感覺這是一個比IBM量子芯片和量子計算機發布更重大的革命性突破，因為論文的通訊作者、哈佛大學科學家米哈伊爾·盧金 （Mikhail Lukin）在接受採訪時說，他們已第一次真正構建了一個在這些邏輯量子位上運行的處理器，真正第一次用邏輯量子位執行了算法，將大大加速大規模、有用的量子計算機的開發進展。
我理解這已經就是一台真正的48量子比特的通用量子計算機了，如果這個理解正確的話，這兩天可能會有更多的消息出來，引發更熱烈的討論。
由於量子計算機的計算能力是呈指數增加的，比如10個邏輯量子位，可以處理2^10，即1024種狀態，而48個邏輯量子位，可以處理2^48，即280萬億種狀態。根據科學家們的估計，如果哈佛這台計算機擴展6倍到286個邏輯量子位，就可以模擬青黴素分子的複雜結構——如果使用現有計算機的話，將占用和宇宙原子一樣多的比特數，另外模擬蛋白質的摺疊和優化交易策略也將變得更容易。
如果達到1000個邏輯量子位，那麼就可以進行即時診斷，幾分鐘就可以從詳盡的病例中制定治療方案。
而如果達到4000個邏輯量子位，就可以破解過去幾年收集的數據，所有安全信息，從社會安全號碼到國家機密，都有可能被泄露。難怪美國要着急忙慌地計劃在2024年實施量子安全加密算法了，這可能才是國家安全的重中之重。
所以，哈佛大學的這項突破，真的意味着通用量子計算機突然就實現了嗎？我們可能很快就會見到分曉了。
參考哈佛論文：Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays
