诺奖得主Wilczek:“精确”:大自然的馈赠

作者: Frank Wilczek

来源: 蔻享学术

发布日期: 2021-07-07 08:00:00

本文讨论了现代计算模仿自然界纠错模式的努力,特别是在量子计算领域,探讨了精确性的挑战及其可能的解决方案,包括生物学启发的方法和前沿的拓扑量子计算技术。

现代计算一直在尝试模仿自然界成功的纠错模式。或许量子效应会提供新的解决方案。

“精确”是一个强大的工具,但它常常很难实现。关于“精确”的主题一直是科学、生命和现代技术的主旋律。而今,在量子计算的前沿,这个旋律再次响起。在生物界中,复杂机体把它们的基本操作系统——即如何构建细胞并使之运行的指令——存储在长串的DNA分子中。这些基本指令被读取、翻译成相应的化学反应。

如果翻译出了错,其后果可能是灾难性的,会产生有缺陷、功能紊乱的蛋白质,甚至致癌。因此,生物界演化出了一套精准的修复与勘误机制,能使错误率维持在十亿分之一左右。在这个校正过程中,有一系列复杂的分子机器监控着翻译的进程并进行纠错。这种分子机器的产生是生物演化过程中最伟大的成就之一。

计算机的许多应用也要求精确。(比如,在银行交易中,准确的密码是非常重要的!)当可靠的微型固态晶体管出现时,现代计算机技术便应运而生了。在晶体管中,电子被储存在一个“容器”里。这个容器的两个不同位置编码了“0”与“1”。如果容器里的电子足够多,那么少数几个电子的位置错误并不会破坏信息的准确性。

但在计算过程中,计算机必须移动这些容器。容器越小,就越容易移动。事实上,计算机运行速度的不断刷新,很大程度上是因为制造单个比特的电子数在不断减少。目前的前沿技术已达到10个电子甚至更少的水平。可与此同时,大量“冗余”电子所带来的抗误差能力也随之消失。要继续维持几乎完美、精确的操作,就需要新的技巧。

基础物理还带来了另一个问题。当接近单电子的层面时,量子力学的影响变得更加突出。对我们来说,这既是挑战,也可能是福音。

量子力学告诉我们,电子的位置不是确定的,而是以一定的几率分布。这种量子性进一步模糊了关键的0与1的区别。但祸兮福所倚,这也带来了潜在的好处,即我们可以尝试利用量子物质的复杂性来达成目标。这就是量子计算的愿景。目前,世界各地都在积极开展相关研究,旨在为量子计算创建可用的平台。

量子计算最大的挑战是如何获得足够高的计算精度。目前人们试图通过两种策略来实现这一目标。

第一种策略是类似于生物的方法,即允许错误的发生,但同时也在努力地纠错。不幸的是,有效的纠错需要大量“冗余”和复杂的纠错机制,因此通过这种途径来实现“精确”会比较痛苦。

另一种策略则是所谓的“拓扑量子计算”。这是一种很前沿的技术,它的前提是制造出所谓的“任意子”(anyon),这种粒子可以被看作一团团有记忆的能量。人们希望制造出使用任意子而不是电子的新型晶体管。但直到最近,物理学家才成功地制造出了任意子,而它们的实际应用前景还尚待观察。

我们能否继续应对精确性的挑战?自然界本身让我们坚定了信心——毕竟,大自然已经完美地“制造”了大量可交换的部件(比如电子),并以完美的精确度“计算”出了它们的行为。

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