我们先来进行一场简单的数学计算。

假设你是一位机场调度员，手头有3架飞机和3个登机口，每架飞机都可以停靠任意登机口。请问：有多少种不同的停靠方案？

答案很简单：第一架飞机有3种选择，第二架剩余2种选择，第三架只留下了1个位置。总共是3×2×1 = 6种方案，不需要电脑也可以在瞬间算出所有方案。

现在让我们稍微增加难度。10架飞机，10个登机口，每个时段只能停一架。那么现在有多少种不同的停靠方案？这就变成了一个排列问题：10! = 3628800种，我们的笔记本电脑可能1秒钟也就遍历了所有可能。

但随着经济的繁荣发展，我们不得不把这个问题继续加码呢？根据报道，2024年，全国民航运输机场完成旅客吞吐量高达14.60亿人次，北京首都机场单日即需保障航班1375架次，还要考虑不同机型需要特定类型的登机桥、地面保障设施的调度等约束。

要知道，当我们把问题规模扩大到278架飞机时，即使只考虑基本的登机口分配和航线规划，若使用穷举法可能的组合数就会达到10^560种。这组数据超过可观测宇宙原子总数的10^480倍，这个数字大到即使把整个地球的质量都转化成存储设备也无法记录。即使是世界上最快的超级计算机"酋长岩"(El Capitan)，每秒可执行174.2亿亿次计算的速度暴力遍历，处理这个规模的问题仍需要比宇宙年龄长无数倍的时间。

这种线性增长的需求背后却是指数级飙升的计算复杂度，它不仅困扰着航空调度，更是横亘在众多领域面前的拦路虎。在经典算力折戟之际，量子计算携诺奖荣光破壁而来。这要从一场持续了近百年的科学辩论说起。

1935年，爱因斯坦对量子力学预言的奇异现象：两个相距遥远的粒子可以瞬间相互影响，也就是大家经常听到的量子纠缠提出了质疑，他坚信：物理世界应该是局域的，物理影响不能超过光速传播；物理量应该是实在的，也就是粒子的属性在测量前就已确定。所以他认为量子力学一定是不完整的，背后必然存在某些我们还不知道的隐藏变量。

转折发生在1964年。

北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了一个天才想法：如果爱因斯坦是对的，那么实验测量结果必须满足一个数学不等式，这个不等式被称为贝尔不等式。如果量子纠缠真的存在，实验结果就会违背这个不等式。这相当于给了物理学家一把裁决之剑：做实验，看结果。

三位科学家，三代实验，一个答案。

1972年，约翰·克劳瑟率先出手。他用简陋的设备第一次测量了纠缠光子，结果显示：贝尔不等式被违背了！但质疑者认为实验存在探测效率漏洞。于是在1982年，阿兰·阿斯佩改进了实验。他让测量设置在光子飞行途中随机改变，解决了局域性漏洞，使得结果更加明确。1990年代起，安东·蔡林格不仅验证，还开创应用。他实现了量子隐形传态，2012年在加那利群岛之间完成了144公里的量子态传输。量子纠缠从理论预言变成了实用技术。

2022年，诺贝尔奖委员会将物理学奖授予这三位科学家，表彰他们用越来越精密的实验，一步步证明了那个爱因斯坦不愿相信的事实：量子世界中，两个纠缠的粒子，即使相隔银河系两端，测量一个，另一个也会瞬间响应。这不是科幻，而是被实验千百次验证的科学事实。那么这对我们要讲的量子计算的关系是什么呢？什么是量子计算，如何通过量子进行计算？

量子计算：用薛定谔的猫来计算

让我们用一个更生动的比喻来理解量子计算。还记得薛定谔那只既死又活的猫吗？在量子世界里，一个粒子可以同时处于多种状态，就像那只猫同时既死又活。这种神奇的性质叫做叠加态。传统计算机的基本单元是比特（bit），非0即1，就像开关只有开和关两种状态。而量子计算机的基本单元是量子比特（qubit），它可以同时是0和1的叠加。当多个量子比特通过纠缠连接起来时，它们不再是独立的个体，而是形成了一个整体。测量其中一个，其他的状态也会瞬间确定，这种特性让量子计算机能够进行真正的并行计算。

2019年，谷歌的量子计算机震惊世界，它在200秒内完成了超级计算机需要1万年才能完成的随机电路采样任务。遗憾的是，所解决的这个任务没有任何实际用途——它被选中只是因为对量子计算机来说容易，对传统计算机来说困难。

2020年12月。查尔姆斯理工大学的研究团队，联合航空物流公司Jeppesen，完成了一项看似不可能的任务：他们用仅仅2个量子比特的量子处理器，成功解决了一个真实的飞机航线分配问题。

你可能会产生这样的疑问：2个量子比特？这不是倒退了吗？我们刚才还在讨论278架飞机的天文数字般的组合，还提到了人类最强大的计算巨兽：造价6亿美元的El Capitan，它足足拥有11,039,616个处理核心，包含44,544个AMD MI300A加速器，每秒能执行1.742 exaFLOPS（174.2亿亿次）计算，是之前最快超算的20多倍。相比之下，2个量子比特听起来就像用算盘挑战超级计算机。

实际上，这恰恰展示了量子计算最让人惊叹的地方。研究团队使用的QAOA算法，规定第一个量子比特代表第一架飞机，第二个代表第二架飞机，且每个量子比特都同时处于"飞航线1"和"飞航线2"的状态，就像薛定谔的猫。根据之前提到的量子纠缠原理，这两个量子比特还能心灵感应，通过量子纠缠，它们能感知彼此的状态并协同工作。最终，当研究人员测量这两个量子比特时，有96.6%的概率得到成本最低的飞机-航线分配方案。

根据前文的介绍我们已经了解，1个量子比特可以同时处于2种基本状态的叠加，2个量子比特的系统可以同时处于4种状态的叠加，那么以此类推，17个量子比特也就是从289条候选航线中选择最优组合，足可以覆盖278个航班的运营需求。

当然17个可计算的量子比特需要大约一千倍的量子比特进行量子纠错，实现这个任务需要17000个量子比特的量子计算机，距离我们还十分遥远。

如果说航空调度展示了量子计算解决复杂优化问题的潜力，那么在生物医药领域，量子计算正在挑战一个更加艰巨的任务：攻克被认为不可成药的癌症靶点。2024年，《自然·生物技术》上发表了一项突破性成果：他们使用量子-经典混合算法，成功设计出了针对KRAS蛋白的潜在抗癌分子，并在实验中得到验证。

KRAS是人类癌症中最常见的突变基因之一，在约30%的人类肿瘤中发生突变，也是胰腺癌、肺癌、结直肠癌等多种恶性肿瘤的重要驱动因素。但KRAS蛋白表面缺乏传统药物可以结合的明显口袋，科学家需要在大约10^60种可能的类药分子这个庞大的化学空间中，找到那个能够与目标蛋白完美结合的钥匙。

研究团队使用了IBM的16量子比特量子处理器，通过量子电路玻恩机(QCBM)算法，利用量子叠加和纠缠效应来探索分子结构的高维概率空间，生成传统方法难以发现的新型分子结构。最终在药物发现领域产生了经过实验验证的突破性成果，将KRAS蛋白转变为可能的治疗靶点。

从2个量子比特优化航线分配，到16个量子比特设计抗癌分子，我们正在见证量子计算从理论走向实用的关键时刻。虽然目前的量子计算机还非常早期，但它已经开始改写可能与不可能的边界。

参考文献

Bengtsson, A., Vikstål, P., Warren, C., Svensson, M., Gu, X., Kockum, A. F., ... & Bylander, J. (2020). Improved success probability with greater circuit depth for the quantum approximate optimization algorithm. Physical Review Applied, 14(3), 034010.

Ghazi Vakili, M., Gorgulla, C., Snider, J., Nigam, A., Bezrukov, D., Varoli, D., ... & Zhavoronkov, A. (2025). Quantum-computing-enhanced algorithm unveils potential KRAS inhibitors. Nature Biotechnology, 1-6.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨张文卓 夸密量子CEO、前墨子号卫星团队副研究员

来源: 论文