为什么它们需要如此低温呢？Phonlamai Photo/Shutterstock 宇宙中最冷的地方之一并不在某个遥远的行星上，也不在星系之间的空旷点上。它就在地球上，一个实验室里。根据Space.com，深空的温度约为2.7开尔文（零下454.8华氏度），是大爆炸遗留下来的余晖。IBM最新的模块化低温系统的温度低于15毫开尔文，公司形容其比深空冷了超过180倍。这比绝对零度仅高出一点点。那么，IBM是如何让机器比深空更冷的？或许更重要的是，为什么要这样做？这对我们这些温血动物有什么好处？答案从保持冷却的对象开始：量子位（qubit）。什么是量子位，它与比特（bit）有何不同？普通计算机使用比特进行计算：每个比特都是一个微型开关，状态为1或0，开或关。量子位更像是一个调节器，而不是开关。它可以在开与关之间保持多种不同的状态。你可以将这两者之间的区别想象成灯开关和调光器之间的区别。此外，每个量子位还有一个“方向”，携带信息。因此，当比特是开或关时，量子位可以在两个不同的方向上保持多个值。比特也只能单独工作：每个比特单独开关。量子位可以相互连接，因此你对一个量子位的了解可以告诉你关于其他量子位的信息。想象一下一个连接的调节器控制台，转动一个调节器会使其余调节器一起移动。量子计算机执行的算法是构建在错误答案相互抵消，正确答案脱颖而出的基础上，就像湖面的波浪在某些地方相互抵消，在其他地方相互叠加。然而，这里的问题是调节器极其脆弱。任何外部干扰都可能传至所有调节器，并增加错误答案的概率。这就是冷却的重要性。热量如何破坏量子位？Adventtr/Getty Images 要理解为什么量子计算机需要尽可能冷的环境，先从一个简单的问题开始：什么是热量？答案很简单。热量是以运动形式存在的能量。当你站在阳光下时，你体内的分子吸收了一些能量，因此开始更快地振动。你感受到的温暖仅仅是那些微小振动的加剧。量子位如此脆弱，即使是微小的能量也可能将其踢出状态，从而干扰量子位之间的相互作用。这种损失称为去相干（decoherence），它增加了错误答案的可能性。量子计算机暴露于的能量越多，其计算的准确性就越低。这就是为什么IBM和其他量子计算公司试图尽可能接近绝对零度，以减少干扰量子位的热量。稀释制冷机是如何工作的？如果你见过量子计算机，可能会注意到它看起来像是一个科幻吊灯，向下悬挂并在底部变得更窄。那就是稀释制冷机，它是由一层层金属板组成，下面的每一层比上面的一层都更冷。顶部的温度在室温。底部是机器中最冷的地方，而处理器就在这里悬挂。但有一个问题。控制量子位的电线来自室温，而电线会传导热量，因此它们每一个都将温暖传递给制冷机试图保护的东西。这构成了一个悖论：机器的量子位越多，它需要的电线就越多，而它变得就越暖。这每台量子计算机都需要一个巨大的制冷机吗？不是。不是每台量子计算机都围绕一个巨大的制冷机构建。然而，中性原子机器，如QuEra构建的机器，会在一个小真空室中捕获单个原子，并使用激光将它们冷却到微开尔文的温度，低于任何制冷机所能达到的温度。室壁及其周围的设备保持在室温。由于没有冷却堆，电线的问题基本上就消失了。光子机器使用光子作为量子位，其部件也是类似的：许多部件在室温下运行，但单光子探测器通常仍然需要冷却。每种方法都将冷却问题替换为不同的问题，例如捕获成千上万的原子或可靠地探测单个光子。量子计算对密码和比特币意味着什么？John D/Getty Images 那么，一旦我们解决了冷却问题并拥有一台可靠的量子计算机，会发生什么呢？像大多数技术飞跃一样，它带来了真实的好处和真正的危险。量子计算机在所有方面都不一定更快，但对于某些问题，例如为新药物模拟分子，它们可能会快得多。它们还可能打破保护你登录和比特币的公钥加密。根据2025年Google Quantum AI的预测，破解标准RSA-2048密钥的成本将降至不到100万个嘈杂的量子位，而2019年这一数字为2000万个。