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量子霸权会带来什么

【美】加来道雄

2024-07-04 12:23

量子霸权

2012年，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔首次提出“量子霸权”这一说法，那时许多科学家都不认同。他们认为，量子计算机想要超越数字计算机还有很长的路要走，短则几十年，长则可能几个世纪。毕竟，在单个原子而不是在硅片上完成计算，在科学家看来技术上是极难实现的。哪怕是最轻微的振动或噪声都会扰乱量子计算机中原子的精细工作。但截至目前，一系列关于量子霸权的惊人声明，都粉碎了当年反对者的悲观预测。当下，人们只关注这个领域到底发展到了哪里，而不再怀疑它是否有发展的潜力。

该领域中不断发布的卓越成就引起了广泛的关注和震动，甚至惊动了各国政界以及绝密情报机构。一些告密者提供的资料表明，美国中央情报局和美国国家安全局都在密切关注该领域的发展。这是因为量子计算机的功能非常强大，原则上，成熟的量子计算机可以破解所有已知的网络代码。这就意味着，政府精心保护的秘密，即便是视若珍宝的极端敏感信息，也都非常容易受到攻击，企业或个人的机密就更不用说了。意识到情况的紧迫性之后，负责制定国家政策和标准的美国国家标准与技术研究院（NIST）最近发布了指导方针，主动帮助大公司和机构制订计划，使它们能够更平稳地过渡到这个可能无法避免的新时代。美国国家标准与技术研究院宣称，预计到2029年，量子计算机能破解128位AES（高级加密标准）加密，而这也是当前许多公司正在使用的加密算法。

2019年10月23日，谷歌CEO桑达尔·皮查伊在美国加州圣芭芭拉实验室的一台谷歌量子计算机旁。谷歌研究人员领衔的团队当天在英国《自然》杂志发表论文说已成功演示了“量子霸权”，让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务。

在《福布斯》杂志上，阿里·埃尔·卡法拉尼撰文指出：“对任何需要保护敏感信息的机构而言，这都是一个令人望而生畏的前景。”

中国已经在量子信息科学国家实验室投入了100亿美元，目标就是成为这一至关重要、快速发展的技术领域的领导者。各国花费数百亿美元甚至更多，来小心翼翼地保护这些密码。有了量子计算机之后，黑客就有能力闯入地球上任何一台数字计算机，从而扰乱工业运转甚至军事行动。所有敏感信息都将有机会被提供给出价最高的人。而一旦量子计算机闯入华尔街的密室，则可能引发金融市场动荡。当然，量子计算机还可能解锁区块链，严重破坏比特币市场。据德勤的估计，大约25%的比特币有可能受到量子计算机的黑客攻击。

数据软件信息技术公司CB Insights在一份报告中总结：“那些运行区块链项目的人可能正密切关注量子计算的每一个进步。”

因此，与数字技术紧密相连的经济世界实际上正处于危险之中。华尔街的银行会使用数字计算机来跟踪数十亿美元大体量的交易。工程师则用数字计算机设计着摩天大楼、桥梁和火箭。艺术家也在通过数字计算机来完成好莱坞大片的动画制作。制药公司会使用数字计算机来开发下一种特效药。孩子也通过使用数字计算机，和朋友一起玩最新的电子游戏。至关重要的是，如今我们严重依赖手机来获取朋友、同事和亲人发来的即时消息，恐怕大家都有过因找不到手机而陷入恐慌的经历。事实上，当前人类的生活很难不依赖数字计算机。人类是如此依赖数字计算机，以至于如果世界上所有的数字计算机突然停止工作了，那么人类文明也就陷入混乱了。这也是为什么科学家如此密切地关注量子计算机发展。

摩尔定律的终结

到底是什么导致这场混乱和争议发生的呢？

量子计算机的兴起实际上标志着硅时代开始接近尾声。过去的半个世纪里，摩尔定律揭示了计算机行业强大的爆发规律，它也正是由英特尔的创始人戈登·摩尔提出并命名的。摩尔定律指出，计算机的计算能力每18个月就能翻一番。这个看似简单的定律实际上有效追踪并描述了计算机技术的显著指数级增长。这项发明是人类历史上前所未有的，没有其他任何发明能在如此短的时间内产生如此普遍的影响。

计算机这项发明在登上历史舞台后，已历经许多发展阶段，每一个新阶段的到来都极大地增强了计算机的能力，并且推动了重大的社会变革。事实上，摩尔定律一直可以追溯到19世纪的机械计算机时代。那时候，工程师还只能使用旋转的圆柱体、齿轮、传动装置和轮毂来完成简单的算术运算。到了20世纪之交，这些计算装置开始使用电力运转，于是继电器和电缆取代了齿轮系统。到第二次世界大战期间，计算机已经可以通过使用大量真空管进行复杂计算来破解政府高级密码。第二次世界大战后，真空管升级为晶体管，而随着晶体管的体积不断实现微缩，计算机的速度和功率也实现了持续进步。

早在20世纪50年代，只有五角大楼和跨国银行等政府机构或大公司才能买得起大型计算机。这些计算机的功能非常强大（例如，ENIAC可以在30秒内完成人类可能需要20小时才能完成的计算任务），但它们的价格昂贵、体积庞大，常常需要占据办公楼的整整一层。后来，微芯片彻底改变了这个局面，经过几十年的发展，微芯片的尺寸不断减小，直到现在，指甲盖大小的芯片都容纳着大约10亿个晶体管。如今，孩子用来玩电子游戏的手机比以前五角大楼用过的要占用一间屋子的笨重家伙的计算功能更强大，我们包袋里的笔记本电脑也比“冷战”时期那些庞大的电脑更先进。

一切都将成为过去。计算机的每一次转折性发展，都让之前的技术遭到创造性破坏的冲击，并最终走向被淘汰的命运。摩尔定律所指出的发展规律，在现实中已经出现放缓趋势，照此下去最终势必将停止。主要原因是，现在的微芯片已经非常紧凑了，最薄的晶体管层大约只有20个原子直径那样薄。而当晶体管层继续压缩到大约只有5个原子直径时，电子的位置就将变得不确定，电子可能会逃逸出来，从而导致芯片短路，或者可能会产生大量热量而进一步导致芯片熔化，囿于此，晶体管层继续压缩变薄的空间已经不断收窄。换言之，根据物理定律，如果想要在主要材料为硅的基础上继续微缩，那么摩尔定律最终会面临崩溃。由此来看，我们可能已经开始步入见证硅时代终结的阶段。硅时代之后的下一个时代，可能正是我们所说的后硅时代，或者可以直接称之为量子时代。

正如英特尔公司的桑贾伊·纳塔拉詹所说的：“我们认为，我们已经从这个体系结构中挤出了所有你认为能够挤出的空间。”

下一轮技术浪潮来临后，硅谷最终很有可能变成新“锈带”。

虽然现在放眼望去，一切似乎都还风平浪静，但是这个新未来迟早会排山倒海而来。正如谷歌人工智能实验室主任哈特穆特·内文所说：“表面上看起来什么都没有发生，没有任何风浪——直到你突然喊出‘哎哟，我怎么就来到这个全新世界了呢’。”

它们为何如此强大？

是什么让量子计算机如此强大，以至于全世界各个国家都迫不及待地想掌握这项新技术？

从本质上讲，所有近现代计算机都是基于数字信息技术的，均采用一系列0和1的组合进行编码。信息的最小单位，即单个数字，被称为“位”。将0和1的序列输入数字处理器，随后数字处理器就开始进行计算，计算出结果后再输出。例如，你的互联网连接速度可以用每秒的比特数（缩写为bps）来衡量，所以1G带宽就是指每秒有10亿多个字节被发送到你的电脑，因此你可以比较流畅地实时访问电影、电子邮件、文档等。

然而，1959年诺贝尔奖得主理查德·费曼观察到了一种不同的数字信息方法。在一次名为“底部有足够的空间”的颇具预言性、开创性的演讲，以及后来发表的论文中，费曼都曾提问：“为什么不考虑用原子状态取代0和1序列从而制造出一台原子计算机呢？为什么不用尽可能小的物质——原子去代替晶体管呢？”

原子就像一个一直旋转的陀螺。在磁场中，它们的位置是相对更加灵活的，可以顺应磁场产生向上或向下排列，以此来对应于0或1的排列。数字计算机的计算能力与计算机中的位数（0或1）直接相关。

但亚原子世界的规则是不稳定的，因为原子可能旋转到两者的任意组合当中。例如，可能存在这样一种状态，原子有10%的时间是自旋向上的、90%的时间是自旋向下的，或者有65%的时间是自旋向上的、35%的时间是自旋向下的。事实上，原子自旋的这种规则可能导致无数种状态，从而大大增加了去描述更多数量的各种状态的可能性。因此，原子表现出能够携带更多信息的属性，这时基本单位也不再是一个比特，而是一个量子位，即同步实现向上和向下的不同组合。数字算法下的比特单位，每次只能携带一位信息，从而限制了它们的能力。对比之下，量子位的能力几乎可以说是无限的，这是因为在原子水平上，某一个物质往往可以实现同时以多种不同状态存在，这被称为“量子叠加”。（这就意味着，常见的通用定律在原子水平上不再适用。因为在原子这个特殊维度上，原子中的电子甚至可以同时在两个不同状态下存在，而大型物体是不可能做到这一点的，它们不可能同时出现在两个不同地方。）

此外，这些量子位之间还可以相互作用，而这对于普通的比特来说也是不可能的，这种量子位之间的相互作用叫作“量子纠缠”。与每一个比特都是处于相对独立的存在状态有所不同，每当增加一个新的量子位时，这个量子位都会与之前的所有量子位发生相互作用，从而使原来的量子位之间可能发生相互作用的次数直接增加一倍。也正因有这样的内在属性，量子计算机天生就比数字计算机强大得多，因为每增加一个额外量子位，交互次数就会翻倍。