量子霸權(quán)會(huì)帶來什么

量子霸權(quán)

2012年，加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾首次提出“量子霸權(quán)”這一說法，那時(shí)許多科學(xué)家都不認(rèn)同。他們認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)想要超越數(shù)字計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，短則幾十年，長(zhǎng)則可能幾個(gè)世紀(jì)。畢竟，在單個(gè)原子而不是在硅片上完成計(jì)算，在科學(xué)家看來技術(shù)上是極難實(shí)現(xiàn)的。哪怕是最輕微的振動(dòng)或噪聲都會(huì)擾亂量子計(jì)算機(jī)中原子的精細(xì)工作。但截至目前，一系列關(guān)于量子霸權(quán)的驚人聲明，都粉碎了當(dāng)年反對(duì)者的悲觀預(yù)測(cè)。當(dāng)下，人們只關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域到底發(fā)展到了哪里，而不再懷疑它是否有發(fā)展的潛力。

該領(lǐng)域中不斷發(fā)布的卓越成就引起了廣泛的關(guān)注和震動(dòng)，甚至驚動(dòng)了各國(guó)政界以及絕密情報(bào)機(jī)構(gòu)。一些告密者提供的資料表明，美國(guó)中央情報(bào)局和美國(guó)國(guó)家安全局都在密切關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。這是因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的功能非常強(qiáng)大，原則上，成熟的量子計(jì)算機(jī)可以破解所有已知的網(wǎng)絡(luò)代碼。這就意味著，政府精心保護(hù)的秘密，即便是視若珍寶的極端敏感信息，也都非常容易受到攻擊，企業(yè)或個(gè)人的機(jī)密就更不用說了。意識(shí)到情況的緊迫性之后，負(fù)責(zé)制定國(guó)家政策和標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）最近發(fā)布了指導(dǎo)方針，主動(dòng)幫助大公司和機(jī)構(gòu)制訂計(jì)劃，使它們能夠更平穩(wěn)地過渡到這個(gè)可能無法避免的新時(shí)代。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院宣稱，預(yù)計(jì)到2029年，量子計(jì)算機(jī)能破解128位AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）加密，而這也是當(dāng)前許多公司正在使用的加密算法。

2019年10月23日，谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊在美國(guó)加州圣芭芭拉實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)谷歌量子計(jì)算機(jī)旁。谷歌研究人員領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)當(dāng)天在英國(guó)《自然》雜志發(fā)表論文說已成功演示了“量子霸權(quán)”，讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬年才能完成的任務(wù)。

在《福布斯》雜志上，阿里·埃爾·卡法拉尼撰文指出：“對(duì)任何需要保護(hù)敏感信息的機(jī)構(gòu)而言，這都是一個(gè)令人望而生畏的前景?！?/p>

中國(guó)已經(jīng)在量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室投入了100億美元，目標(biāo)就是成為這一至關(guān)重要、快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。各國(guó)花費(fèi)數(shù)百億美元甚至更多，來小心翼翼地保護(hù)這些密碼。有了量子計(jì)算機(jī)之后，黑客就有能力闖入地球上任何一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)，從而擾亂工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)甚至軍事行動(dòng)。所有敏感信息都將有機(jī)會(huì)被提供給出價(jià)最高的人。而一旦量子計(jì)算機(jī)闖入華爾街的密室，則可能引發(fā)金融市場(chǎng)動(dòng)蕩。當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)還可能解鎖區(qū)塊鏈，嚴(yán)重破壞比特幣市場(chǎng)。據(jù)德勤的估計(jì)，大約25%的比特幣有可能受到量子計(jì)算機(jī)的黑客攻擊。

數(shù)據(jù)軟件信息技術(shù)公司CB Insights在一份報(bào)告中總結(jié)：“那些運(yùn)行區(qū)塊鏈項(xiàng)目的人可能正密切關(guān)注量子計(jì)算的每一個(gè)進(jìn)步?！?/p>

因此，與數(shù)字技術(shù)緊密相連的經(jīng)濟(jì)世界實(shí)際上正處于危險(xiǎn)之中。華爾街的銀行會(huì)使用數(shù)字計(jì)算機(jī)來跟蹤數(shù)十億美元大體量的交易。工程師則用數(shù)字計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)著摩天大樓、橋梁和火箭。藝術(shù)家也在通過數(shù)字計(jì)算機(jī)來完成好萊塢大片的動(dòng)畫制作。制藥公司會(huì)使用數(shù)字計(jì)算機(jī)來開發(fā)下一種特效藥。孩子也通過使用數(shù)字計(jì)算機(jī)，和朋友一起玩最新的電子游戲。至關(guān)重要的是，如今我們嚴(yán)重依賴手機(jī)來獲取朋友、同事和親人發(fā)來的即時(shí)消息，恐怕大家都有過因找不到手機(jī)而陷入恐慌的經(jīng)歷。事實(shí)上，當(dāng)前人類的生活很難不依賴數(shù)字計(jì)算機(jī)。人類是如此依賴數(shù)字計(jì)算機(jī)，以至于如果世界上所有的數(shù)字計(jì)算機(jī)突然停止工作了，那么人類文明也就陷入混亂了。這也是為什么科學(xué)家如此密切地關(guān)注量子計(jì)算機(jī)發(fā)展。

摩爾定律的終結(jié)

到底是什么導(dǎo)致這場(chǎng)混亂和爭(zhēng)議發(fā)生的呢？

量子計(jì)算機(jī)的興起實(shí)際上標(biāo)志著硅時(shí)代開始接近尾聲。過去的半個(gè)世紀(jì)里，摩爾定律揭示了計(jì)算機(jī)行業(yè)強(qiáng)大的爆發(fā)規(guī)律，它也正是由英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾提出并命名的。摩爾定律指出，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力每18個(gè)月就能翻一番。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的定律實(shí)際上有效追蹤并描述了計(jì)算機(jī)技術(shù)的顯著指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這項(xiàng)發(fā)明是人類歷史上前所未有的，沒有其他任何發(fā)明能在如此短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生如此普遍的影響。

計(jì)算機(jī)這項(xiàng)發(fā)明在登上歷史舞臺(tái)后，已歷經(jīng)許多發(fā)展階段，每一個(gè)新階段的到來都極大地增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)的能力，并且推動(dòng)了重大的社會(huì)變革。事實(shí)上，摩爾定律一直可以追溯到19世紀(jì)的機(jī)械計(jì)算機(jī)時(shí)代。那時(shí)候，工程師還只能使用旋轉(zhuǎn)的圓柱體、齒輪、傳動(dòng)裝置和輪轂來完成簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算。到了20世紀(jì)之交，這些計(jì)算裝置開始使用電力運(yùn)轉(zhuǎn)，于是繼電器和電纜取代了齒輪系統(tǒng)。到第二次世界大戰(zhàn)期間，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以通過使用大量真空管進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算來破解政府高級(jí)密碼。第二次世界大戰(zhàn)后，真空管升級(jí)為晶體管，而隨著晶體管的體積不斷實(shí)現(xiàn)微縮，計(jì)算機(jī)的速度和功率也實(shí)現(xiàn)了持續(xù)進(jìn)步。

早在20世紀(jì)50年代，只有五角大樓和跨國(guó)銀行等政府機(jī)構(gòu)或大公司才能買得起大型計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)的功能非常強(qiáng)大（例如，ENIAC可以在30秒內(nèi)完成人類可能需要20小時(shí)才能完成的計(jì)算任務(wù)），但它們的價(jià)格昂貴、體積龐大，常常需要占據(jù)辦公樓的整整一層。后來，微芯片徹底改變了這個(gè)局面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微芯片的尺寸不斷減小，直到現(xiàn)在，指甲蓋大小的芯片都容納著大約10億個(gè)晶體管。如今，孩子用來玩電子游戲的手機(jī)比以前五角大樓用過的要占用一間屋子的笨重家伙的計(jì)算功能更強(qiáng)大，我們包袋里的筆記本電腦也比“冷戰(zhàn)”時(shí)期那些龐大的電腦更先進(jìn)。

一切都將成為過去。計(jì)算機(jī)的每一次轉(zhuǎn)折性發(fā)展，都讓之前的技術(shù)遭到創(chuàng)造性破壞的沖擊，并最終走向被淘汰的命運(yùn)。摩爾定律所指出的發(fā)展規(guī)律，在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)出現(xiàn)放緩趨勢(shì)，照此下去最終勢(shì)必將停止。主要原因是，現(xiàn)在的微芯片已經(jīng)非常緊湊了，最薄的晶體管層大約只有20個(gè)原子直徑那樣薄。而當(dāng)晶體管層繼續(xù)壓縮到大約只有5個(gè)原子直徑時(shí)，電子的位置就將變得不確定，電子可能會(huì)逃逸出來，從而導(dǎo)致芯片短路，或者可能會(huì)產(chǎn)生大量熱量而進(jìn)一步導(dǎo)致芯片熔化，囿于此，晶體管層繼續(xù)壓縮變薄的空間已經(jīng)不斷收窄。換言之，根據(jù)物理定律，如果想要在主要材料為硅的基礎(chǔ)上繼續(xù)微縮，那么摩爾定律最終會(huì)面臨崩潰。由此來看，我們可能已經(jīng)開始步入見證硅時(shí)代終結(jié)的階段。硅時(shí)代之后的下一個(gè)時(shí)代，可能正是我們所說的后硅時(shí)代，或者可以直接稱之為量子時(shí)代。

正如英特爾公司的桑賈伊·納塔拉詹所說的：“我們認(rèn)為，我們已經(jīng)從這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中擠出了所有你認(rèn)為能夠擠出的空間?！?/p>

下一輪技術(shù)浪潮來臨后，硅谷最終很有可能變成新“銹帶”。

雖然現(xiàn)在放眼望去，一切似乎都還風(fēng)平浪靜，但是這個(gè)新未來遲早會(huì)排山倒海而來。正如谷歌人工智能實(shí)驗(yàn)室主任哈特穆特·內(nèi)文所說：“表面上看起來什么都沒有發(fā)生，沒有任何風(fēng)浪——直到你突然喊出‘哎喲，我怎么就來到這個(gè)全新世界了呢’。”

它們?yōu)楹稳绱藦?qiáng)大？

是什么讓量子計(jì)算機(jī)如此強(qiáng)大，以至于全世界各個(gè)國(guó)家都迫不及待地想掌握這項(xiàng)新技術(shù)？

從本質(zhì)上講，所有近現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是基于數(shù)字信息技術(shù)的，均采用一系列0和1的組合進(jìn)行編碼。信息的最小單位，即單個(gè)數(shù)字，被稱為“位”。將0和1的序列輸入數(shù)字處理器，隨后數(shù)字處理器就開始進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出結(jié)果后再輸出。例如，你的互聯(lián)網(wǎng)連接速度可以用每秒的比特?cái)?shù)（縮寫為bps）來衡量，所以1G帶寬就是指每秒有10億多個(gè)字節(jié)被發(fā)送到你的電腦，因此你可以比較流暢地實(shí)時(shí)訪問電影、電子郵件、文檔等。

然而，1959年諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼觀察到了一種不同的數(shù)字信息方法。在一次名為“底部有足夠的空間”的頗具預(yù)言性、開創(chuàng)性的演講，以及后來發(fā)表的論文中，費(fèi)曼都曾提問：“為什么不考慮用原子狀態(tài)取代0和1序列從而制造出一臺(tái)原子計(jì)算機(jī)呢？為什么不用盡可能小的物質(zhì)——原子去代替晶體管呢？”

原子就像一個(gè)一直旋轉(zhuǎn)的陀螺。在磁場(chǎng)中，它們的位置是相對(duì)更加靈活的，可以順應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生向上或向下排列，以此來對(duì)應(yīng)于0或1的排列。數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力與計(jì)算機(jī)中的位數(shù)（0或1）直接相關(guān)。

但亞原子世界的規(guī)則是不穩(wěn)定的，因?yàn)樵涌赡苄D(zhuǎn)到兩者的任意組合當(dāng)中。例如，可能存在這樣一種狀態(tài)，原子有10%的時(shí)間是自旋向上的、90%的時(shí)間是自旋向下的，或者有65%的時(shí)間是自旋向上的、35%的時(shí)間是自旋向下的。事實(shí)上，原子自旋的這種規(guī)則可能導(dǎo)致無數(shù)種狀態(tài)，從而大大增加了去描述更多數(shù)量的各種狀態(tài)的可能性。因此，原子表現(xiàn)出能夠攜帶更多信息的屬性，這時(shí)基本單位也不再是一個(gè)比特，而是一個(gè)量子位，即同步實(shí)現(xiàn)向上和向下的不同組合。數(shù)字算法下的比特單位，每次只能攜帶一位信息，從而限制了它們的能力。對(duì)比之下，量子位的能力幾乎可以說是無限的，這是因?yàn)樵谠铀缴?，某一個(gè)物質(zhì)往往可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)以多種不同狀態(tài)存在，這被稱為“量子疊加”。（這就意味著，常見的通用定律在原子水平上不再適用。因?yàn)樵谠舆@個(gè)特殊維度上，原子中的電子甚至可以同時(shí)在兩個(gè)不同狀態(tài)下存在，而大型物體是不可能做到這一點(diǎn)的，它們不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)不同地方。）

此外，這些量子位之間還可以相互作用，而這對(duì)于普通的比特來說也是不可能的，這種量子位之間的相互作用叫作“量子糾纏”。與每一個(gè)比特都是處于相對(duì)獨(dú)立的存在狀態(tài)有所不同，每當(dāng)增加一個(gè)新的量子位時(shí)，這個(gè)量子位都會(huì)與之前的所有量子位發(fā)生相互作用，從而使原來的量子位之間可能發(fā)生相互作用的次數(shù)直接增加一倍。也正因有這樣的內(nèi)在屬性，量子計(jì)算機(jī)天生就比數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)額外量子位，交互次數(shù)就會(huì)翻倍。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”處理器圖片。研究團(tuán)隊(duì)研制了一個(gè)由54個(gè)量子比特組成的處理器“西克莫”，該處理器利用量子疊加和量子糾纏使計(jì)算空間指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

舉個(gè)例子，當(dāng)下的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以擁有100多個(gè)量子位。這就意味著，這些量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相當(dāng)于那些只擁有一個(gè)量子位的超級(jí)計(jì)算機(jī)的2100倍。

谷歌的Sycamore量子計(jì)算機(jī)就是全球第一臺(tái)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的計(jì)算機(jī)，其擁有的53個(gè)量子位能夠處理720億吉字節(jié)內(nèi)存。因此，在Sycamore這樣的量子計(jì)算機(jī)面前，任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都相形見絀。

無論是對(duì)商業(yè)還是對(duì)科學(xué)來說，量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力帶來的影響都將是巨大的。當(dāng)我們從數(shù)字經(jīng)濟(jì)的世界過渡到量子經(jīng)濟(jì)的世界時(shí)，更大的風(fēng)險(xiǎn)也將隨之而來。

本文摘自物理學(xué)家加來道雄所著的《量子霸權(quán)：量子計(jì)算機(jī)革命如何改變世界》。

《量子霸權(quán)：量子計(jì)算機(jī)革命如何改變世界》，【美】加來道雄/著 蘇京春/譯，中信出版集團(tuán)，2024年6月版