2019年,當 Google 的量子 AI 團隊在《Nature》期刊上投下一顆震撼彈,宣佈其「Sycamore」處理器實現了「量子霸權」(Quantum Supremacy)時,整個科技界為之沸騰。這似乎預示著一個全新計算時代的黎明。然而,五年過去了,當初那股狂熱的浪潮逐漸退去,取而代之的是更為複雜和清醒的現實。

領導那項歷史性實驗的物理學巨擘 John Martinis,如今以一位頂尖工程師的務實視角,為我們揭開了量子計算領域光鮮外表下的真實挑戰。他的觀點,對於任何關心這場技術革命的人來說,都是一劑必要的清醒劑。

第一章:那場改寫歷史的「200秒飛行」

訪談的一開始,Martinis 就帶我們重回了那個歷史性的時刻。他將 2019 年的實驗,比作是計算領域的「萊特兄弟時刻」。

「我們當時的目標,並不是要解決一個實際的商業問題,」Martinis 解釋道,「而是要回答一個最根本的問題:一台由人類製造的量子機器,是否真的能做到傳統電腦永遠無法企及的事情?」

這個「不可能的任務」被稱為「隨機線路取樣」(Random Circuit Sampling)。你可以把它想像成一個極度複雜的、專為量子電腦設計的數學謎題。Google 的 53 量子位元(qubit)處理器 Sycamore,僅用了 200 秒 就解開了這個謎題。相比之下,根據他們當時的估算,即便是世界上最強大的超級電腦——IBM 的 Summit——也需要花費驚人的一萬年。

Martinis 強調:「這就像萊特兄弟的首次飛行。那架飛機沒有搭載任何乘客,也沒飛到巴黎,它只在空中停留了幾十秒。但它證明了『飛行』是可能的。我們的實驗也是一樣,它是一個關鍵的『存在性證明』(existence proof),首次在物理世界中劃出了一道傳統計算無法跨越的界線。」

這個成果終結了長久以來「量子電腦是否真的有優勢」的理論爭辯,它告訴世界:遊戲規則,確實已經改變了。

第二章:慶功派對結束後,與「雜訊」的永恆戰爭

然而,正當外界還沉浸在「量子霸權」的喜悅中時,Martinis 和所有身處第一線的科學家們,早已將目光投向了那個更為棘手的敵人——雜訊(Noise)。

量子位元是宇宙中最敏感的物體之一。它們的運作依賴於精巧的量子疊加與糾纏態,但任何來自外界的微小干擾,比如溫度的輕微波動、一絲 stray 電磁波,都可能導致其量子態瞬間崩潰。這個過程,物理學家稱之為「退相干」(Decoherence)。

「你可以把現在的量子位元想像成一個極度敏感、隨時可能走音的小提琴手,」Martinis 形容道,「當你只有幾個這樣的小提琴手時,你或許還能勉強演奏一首簡單的曲子。但當你試圖組織一個由數百個這樣樂手組成的交響樂團時,結果將是一場災難性的噪音。」

這就是我們目前所處的「嘈雜中型量子」(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)時代的真實寫照。我們擁有了數十到數百個量子位元,但它們都非常「嘈雜」,穩定性極差。這意味著,任何需要高精度、長時間運行的複雜演算法,比如大名鼎鼎的「秀爾演算法」(Shor's algorithm,可用於破解現代加密體系),在 NISQ 電腦上根本無法運行。計算結果很快就會被錯誤淹沒,變成一堆無意義的亂碼。

第三章:通往聖杯之路:量子糾錯的巨大鴻溝

既然有錯誤,自然就需要修正。這引出了量子計算領域的終極聖杯——量子糾錯(Quantum Error Correction, QEC)。

理論上,QEC 的概念相當優雅。它的核心思想是「用數量換取品質」:我們不用單一、脆弱的「物理量子位元」(physical qubit)來儲存資訊,而是用成百上千個物理量子位元共同編碼,形成一個高度穩定、抗干擾的「邏輯量子位元」(logical qubit)。就像一個高度冗餘的 RAID 磁碟陣列,即使其中幾個物理位元出錯了,整個系統也能偵測到錯誤並將其修正,從而保護邏輯位元的資訊。

然而,理論的優雅在工程現實面前,顯得異常殘酷。Martinis 一針見血地指出了其中的「開銷」(Overhead)問題。

「根據我們目前最好的糾錯碼設計和物理位元的錯誤率,要打造一個高品質的邏輯量子位元,你可能需要 1000 個,甚至更多的物理量子位元,」Martinis 警告說。「現在,我們來做個簡單的算術:要運行一個有實用價值的演算法,你可能需要一台擁有一千個邏輯量子位元的容錯量子電腦。這意味著,我們需要製造並完美控制數百萬個高品質的物理量子位元。」

從 2019 年的 53 個物理量子位元,到未來所需的數百萬個,這條巨大的鴻溝解釋了為什麼儘管我們已經證明了「量子霸權」,但距離真正實用的容錯量子電腦,依然極其遙遠。

第四章:Martinis 的務實藍圖:停止競逐數量,回歸「煉金術」

面對這座看似難以逾越的大山,Martinis 提出了他眼中最務實、也是最根本的前進路線。這也反映了他離開 Google 後的研究重心。他認為,整個行業都應該從對量子位元數量的「軍備競賽」中冷靜下來。

「業界太過痴迷於量子位元的數量,這在某種程度上成了一種虛榮的指標,」Martinis 坦率地說。「但擁有一百萬個錯誤率高達 1% 的量子位元,其價值遠不如擁有一千個錯誤率只有 0.01% 的超高品質量子位元。前者你什麼也做不了,後者卻是通往容錯計算的堅實基石。」

他的核心論點可以總結為「品質優先於數量」:

降低物理錯誤率是第一要務

與其用 1000 個錯誤率為 10⁻³(千分之一)的物理位元去搭建一個邏輯位元,我們更應該傾盡全力,先將單一物理位元的錯誤率降至 10⁻⁴ 甚至 10⁻⁵。更低的基礎錯誤率能以指數級效應降低量子糾錯所需的開銷,讓數百萬位元的需求,變成數十萬甚至更少,從而讓目標變得更切實際。

慢工出細活的工程哲學

在擴展規模之前,必須先將最基礎的元件——單一的量子位元——打磨到極致。這就像建造摩天大樓,如果每一塊磚頭都充滿瑕疵,無論你蓋多高,它最終都只會是個危樓。

John Martinis 的分享猶如一位經驗豐富的嚮導,帶領我們走出了媒體頭條的迷霧,看到了量子計算這場革命背後真實的工程地貌。他傳達的訊息清晰而有力:量子計算的序幕確實已經拉開,但這註定是一場漫長的馬拉松。前方的道路,需要的不是短跑衝刺式的數量競賽,而是腳踏實地、十年磨一劍的基礎研究與工程突破,尤其是在「降低物理錯誤率」這項最根本、也最艱鉅的任務上。

推薦閱讀與參考資料

原始連結：https://sites.libsyn.com/254861/nobel-prize-in-physics-winner-john-martinis-on-the-state-of-quantum