Google量子晶片「垂柳」，打開了平行宇宙？

前天Google公布，他們研發的量子運算晶片「Willow」，居然能在短短五分鐘內，解決世上最快的超級電腦也要 10^25 年才能解決的難題。10^25（10的25次方）寫成數字，就是 10,000,000,000,000,000,000,000,000年，這比宇宙存在的時間還要長很多很多，感覺非常夢幻，但看着這科技新聞，又覺得無比真實。

如果傳統電腦（包括上文提到的超級電腦）是勤奮的學生，那量子電腦就是一個思維跳脫的天才。傳統電腦中，位元（bits）是資訊的基本單位，每個位元就像一個開關，要麼是關閉（0），要麼是打開（1）。量子電腦則不同，它使用量子位元（qubits）作基本單位，能夠同時是 0 和 1，你可想像把一枚硬幣丟到空中，它旋轉的時候，可以被看作同時是「公」和「字」，這種奇妙狀態叫疊加（superposition）。

量子電腦還利用一種叫做量子糾纏（quantum entanglement）的現象，使量子位元相互連結。這意味着，如果你改變一個量子位元的狀態，另一個與它糾纏的量子位元不管相隔多遠，就算遠在銀河系另一端，也會立即改變。這種特性使量子電腦在處理資訊時更加高效。

現在不妨舉一簡單例子，讓大家明白量子電腦有多厲害。若想找出 20 位元組合（都是0或1）的其中一組數字，傳統電腦最多需要嘗試約百萬次運算步驟（2的20次方等於1,048,576），量子電腦呢，則只需大約1,000 次運算，當然快得多了。那麼Google這次利用「Willow」在5分鐘內解決的世紀難題是什麼呢？

那是針對量子電腦而設的「隨機電路採樣」（random circuit sampling，RCS）基準測試，涉及由多個量子位元和量子閘組成的電路，它會根據量子位元狀態生成一些結果，而隨着量子位元數和電路深度增加，生成和分析這些結果所需的計算資源也會急增。RCS就是用來驗證，量子電腦能否在這些計算任務上超越傳統電腦？「Willow」證實了：它運算5分鐘已等同傳統電腦的10^25年。電腦和電腦的距離，比人和豬相距更遠。

這個結果固然驚人，但在Google官方宣布中（標題為「Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip」），Google Quantum AI團隊創辦人Hartmut Neven寫了一段更耐人尋味的話。Neven說，Willow在基準測試的驚世表現，「令人更相信量子計算是在許多平行宇宙中發生的，這與多伊奇最早預言的『我們活在多重宇宙中』的概念相符（It lends credence to the notion that quantum computation occurs in many parallel universes, in line with the idea that we live in a multiverse, a prediction first made by David Deutsch）。」

這段輕描淡寫的話，細思極奇，那是否意味着Willow已打開平行宇宙之門呢？先來談談Neven提及的多伊奇（David Deutsch）是何許人，以及他預言了什麼。多伊奇不是科幻小說作家，而是物理學家、牛津大學教授，也是量子計算領域的開創者。他在《真實世界的脈絡：平行宇宙及其寓意》（The Fabric of Reality: The Science of Parallel Universes—and Its Implications）一書中，解釋了量子計算如何證明平行宇宙的存在。他的理論核心非常簡單，卻又震撼人心：如果只有一個宇宙，那麼很多量子計算根本不可能完成。

多伊奇在書中舉例說，以傳統方式尋找一個250位數字的質因數，即使動用百萬台普通電腦組成的網絡，也需要超過一百萬年，但利用量子電腦執行「秀爾演算法（Shor's algorithm）」卻不需這麼久，只要執行僅僅幾千次計算就夠了。然而量子電腦調動的，不單單是我們這個宇宙擁有的資源，而是10^500（即1字後面有500個0）個宇宙的資源！

多伊奇認為量子計算之所以這麼神速，是因為它讓許多平行宇宙共同協作，完成「不可能的任務」：在每一個參與運算的宇宙裏，都有同一台量子電腦，以相同的演算法在執行幾千次運算，並通過「量子干涉」的方式（正確的答案被增強，錯誤的被削弱），給我們算出答案。

據多伊奇推算，我們可見宇宙的所有原子加起來，也不過是10^80這樣一個「渺小」數字，要是沒有多個平行宇宙的協作，怎可能解決需要10^500個宇宙資源才能運算的難題呢？讓我們回到 Willow——它能在五分鐘內完成超級電腦需要 10^25 年的運算，這在物理上幾乎不可思議，但多重宇宙理論卻有合理解釋：這些無比複雜的運算，根本是分攤在不同的平行宇宙中。

當 Willow 運算時，它原來不是孤軍奮戰，而是讓無數「分身」同時在不同的宇宙中處理不同的計算路徑。不妨想像有無數個平行世界的你，每個你都專注於解決問題的一部分，然後所有結果彙聚一起，豈非快如閃電？這就是量子計算的魔力，也可說是多重宇宙存在的佐證。

我不禁想到有些自閉症奇人，能夠莫名其妙地做複雜的速算，甚至單靠直覺來辨識及生成很大的質數（著名腦神經學家Oliver Sacks就在1985年報告過這種奇特現象）。難道這些自閉症天才能像量子電腦一樣，跟平行宇宙的「分身」以某種匪夷所思的方式溝通和合作？

Willow，這顆叫「垂柳」的晶片，名字可能暗藏玄機：垂柳的枝條既像是一個個分岔的宇宙，而搖曳的柳影交疊水中，也彷彿不同宇宙互相映照，既孤立，又相連。也許量子計算的真正意義，不在進行異常繁複的運算，而在揭開我們宇宙的神秘真貌。



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圖/Google