这两天量子计算领域的突破有点令人匪夷所思，惊天地泣鬼神了，前两天IBM才发布重磅量子芯片和量子计算机，今天哈佛大学又爆出一个巨大的“王炸”，是不是通用量子计算机很快就要，或者已经成为现实了呢？人类文明的新时代已经来临？
这个王炸可能非常重要，因为哈佛大学直接在论文的摘要前写道：“我们提供这份手稿未经编辑的版本，以便尽早了解其发现。在最终出版之前，手稿将进行进一步编辑。请注意，可能存在影响内容的错误，并且所有法律免责声明均适用。”（见下图）
IBM大突破和哈佛王炸
12月4日，IBM发布了1121个量子比特的Condor（秃鹰）量子芯片，这是世界上第一次将量子芯片的量子比特数突破到4位数。
但这可能只是IBM第二代量子芯片的最后辉煌，因为在同一天，IBM还发布了第三代量子芯片Heron（鹭），虽然只有133个量子比特，但却比上一代芯片更强大。因为其性能比上一代提高了3到5倍，错误率减少了5倍，最关键的是，这种芯片可以互相连接起来，构建模块化的量子计算机，IBM也利用3个Heron芯片，推出了世界上第一台模块化的实用量子计算机IBM量子系统2。
IBM称就像上世界第一台电子计算机出现前一样，现在人类正处于量子计算机呼之欲出的前夜，而媒体也称人类文明可能已再次处于大突破的巨变前夕。
然而才仅仅过了3天，今天哈佛大学就抛出了一个真正的大王炸，他们创造了一种全新的量子纠错方法，可以把280个物理量子位变成48个逻辑量子位。粗略计算表明，这意味着他们实验室的量子计算机性能，已经超过了IBM刚刚才宣布的史上最强量子芯片Condor的4倍！
这绝对是一个革命性的巨大进步！这意味着人类可能很快就可以进行快速的疫苗开发，精确的天气预报，最可怕的是，现在政府和银行企业广泛使用的所有加密协议，都将可能被轻而易举地破解，不管是社会安全号码还是国家机密，都将在量子计算机下裸奔，而这一天可能很快就会到来。
搞懂量子纠错
要理解这一切，你首先需要搞明白量子纠错的概念。你别看现在量子芯片已突破了100个量子比特，1000个量子比特，然而突破得再多也没有什么卵用，因为这些量子比特，不管它是用低温超导体做的，还是离子阱、光量子做的，都非常地脆弱。究竟有多脆弱呢？都不说你跺一下脚，吹一口气了，它们处于微观量子世界的环境，即使周围温度的细微变化，甚至就是原子间固有的晶格振动，互相之间的影响，都可能导致它们状态的瞬间改变，这就叫退相干。
这就意味着很多时候根本来不及操作，量子比特就已经失效了，还怎么进行计算呢？所以科学家们的一大任务，就是想方设法延长量子位的相干时间，目前已达到了微秒到毫秒级别，从而可以进行一系列的操作。
但这仍不足以构建量子计算机来进行复杂的计算，科学家们的另一大任务就来了，不是还来不及运算量子位就退相干失效了吗？那我就多弄一些量子位，让它们处于同样的状态，对它们进行多次测量，这样即使少部分失效了，我只要测量其他的有效，就可以进行计算了啊。
这种由多个硬件量子位或物理量子位组成的量子位就叫做逻辑量子位，科学家们开发出很多算法来让量子计算机进行可靠的计算，这些算法就叫做纠错。所以量子位不是关键，纠错才是关键，会纠错者得天下！
问题是使用现有的纠错算法，会浪费大量的物理量子位，因为需要1000多个硬件量子位相互作用，才能形成一个逻辑量子位。你想到什么没有？对了，IBM最新发布的世界第一的量子芯片Condor，1121个量子比特，用现在的纠错算法，只能勉强形成一个物理量子位，所以你就知道现在几十、几百个量子比特的所谓量子计算机，为什么根本不能算作真正的量子计算机了吧？因为压根儿就没法进行复杂的量子运算。
IBM之所以说自己取得了突破，是因为他们正在开发一种新的、更有效的纠错技术，据说允许只用100个物理量子位来形成一个逻辑量子位，这意味着Condor相当于有10个可以进行真正量子计算的逻辑量子位。而Heron如果比第二代芯片Eagle纠错好5倍的话，133个物理量子比特可能也就相当于几个逻辑量子位。
哈佛大学的突破
而哈佛大学这项12月6日发表在《自然》杂志的研究，利用精确的低功率激光束（业内称之为“激光镊子”）操纵单个原子来创建“量子电路”，从而可以更有效地纠错。具体来说，研究人员利用激光给选定的原子注入能量，让它进入所谓的里德伯态——原子中一个电子处于很高的激发态，这时候原子更容易与周围的其他原子相互作用，从而形成量子纠缠的特殊关系，能够同步行动。
这样科学家们就可以通过控制激光束的开关来调节原子的“兴奋”程度，改变它们之间的互动方式，从而把它们组成一种特殊的量子比特，可以进行更稳定、更准确的计算。如果测量结果表明原子处于错误状态，那么团队便可以使用激光束来将原子纠正到正确的状态。
哈佛团队的这种方法非常有效，他们仅仅使用了280个物理量子比特，就形成了48个逻辑量子位，比现有技术的纠错效率提高了200倍，即使是比起IBM正在开发的纠错技术的最好效果，也要好20倍！
我感觉这是一个比IBM量子芯片和量子计算机发布更重大的革命性突破，因为论文的通讯作者、哈佛大学科学家米哈伊尔·卢金 （Mikhail Lukin）在接受采访时说，他们已第一次真正构建了一个在这些逻辑量子位上运行的处理器，真正第一次用逻辑量子位执行了算法，将大大加速大规模、有用的量子计算机的开发进展。
我理解这已经就是一台真正的48量子比特的通用量子计算机了，如果这个理解正确的话，这两天可能会有更多的消息出来，引发更热烈的讨论。
由于量子计算机的计算能力是呈指数增加的，比如10个逻辑量子位，可以处理2^10，即1024种状态，而48个逻辑量子位，可以处理2^48，即280万亿种状态。根据科学家们的估计，如果哈佛这台计算机扩展6倍到286个逻辑量子位，就可以模拟青霉素分子的复杂结构——如果使用现有计算机的话，将占用和宇宙原子一样多的比特数，另外模拟蛋白质的折叠和优化交易策略也将变得更容易。
如果达到1000个逻辑量子位，那么就可以进行即时诊断，几分钟就可以从详尽的病例中制定治疗方案。
而如果达到4000个逻辑量子位，就可以破解过去几年收集的数据，所有安全信息，从社会安全号码到国家机密，都有可能被泄露。难怪美国要着急忙慌地计划在2024年实施量子安全加密算法了，这可能才是国家安全的重中之重。
所以，哈佛大学的这项突破，真的意味着通用量子计算机突然就实现了吗？我们可能很快就会见到分晓了。
参考哈佛论文：Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays
