量子霸權

2012年，加州理工學院物理學家約翰·普雷斯基爾首次提出“量子霸權”這一說法，那時許多科學家都不認同。他們認為，量子計算機想要超越數字計算機還有很長的路要走，短則幾十年，長則可能幾個世紀。畢竟，在單個原子而不是在硅片上完成計算，在科學家看來技術上是極難實現的。哪怕是最輕微的振動或噪聲都會擾亂量子計算機中原子的精細工作。但截至目前，一系列關于量子霸權的驚人聲明，都粉碎了當年反對者的悲觀預測。當下，人們只關注這個領域到底發展到了哪里，而不再懷疑它是否有發展的潛力。

該領域中不斷發布的卓越成就引起了廣泛的關注和震動，甚至驚動了各國政界以及絕密情報機構。一些告密者提供的資料表明，美國中央情報局和美國國家安全局都在密切關注該領域的發展。這是因為量子計算機的功能非常強大，原則上，成熟的量子計算機可以破解所有已知的網絡代碼。這就意味著，政府精心保護的秘密，即便是視若珍寶的極端敏感信息，也都非常容易受到攻擊，企業或個人的機密就更不用說了。意識到情況的緊迫性之后，負責制定國家政策和標準的美國國家標準與技術研究院（NIST）最近發布了指導方針，主動幫助大公司和機構制訂計劃，使它們能夠更平穩地過渡到這個可能無法避免的新時代。美國國家標準與技術研究院宣稱，預計到2029年，量子計算機能破解128位AES（高級加密標準）加密，而這也是當前許多公司正在使用的加密算法。

2019年10月23日，谷歌CEO桑達爾·皮查伊在美國加州圣芭芭拉實驗室的一臺谷歌量子計算機旁。谷歌研究人員領銜的團隊當天在英國《自然》雜志發表論文說已成功演示了“量子霸權”，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。

在《福布斯》雜志上，阿里·埃爾·卡法拉尼撰文指出：“對任何需要保護敏感信息的機構而言，這都是一個令人望而生畏的前景。”

中國已經在量子信息科學國家實驗室投入了100億美元，目標就是成為這一至關重要、快速發展的技術領域的領導者。各國花費數百億美元甚至更多，來小心翼翼地保護這些密碼。有了量子計算機之后，黑客就有能力闖入地球上任何一臺數字計算機，從而擾亂工業運轉甚至軍事行動。所有敏感信息都將有機會被提供給出價最高的人。而一旦量子計算機闖入華爾街的密室，則可能引發金融市場動蕩。當然，量子計算機還可能解鎖區塊鏈，嚴重破壞比特幣市場。據德勤的估計，大約25%的比特幣有可能受到量子計算機的黑客攻擊。

數據軟件信息技術公司CB Insights在一份報告中總結：“那些運行區塊鏈項目的人可能正密切關注量子計算的每一個進步。”

因此，與數字技術緊密相連的經濟世界實際上正處于危險之中。華爾街的銀行會使用數字計算機來跟蹤數十億美元大體量的交易。工程師則用數字計算機設計著摩天大樓、橋梁和火箭。藝術家也在通過數字計算機來完成好萊塢大片的動畫制作。制藥公司會使用數字計算機來開發下一種特效藥。孩子也通過使用數字計算機，和朋友一起玩最新的電子游戲。至關重要的是，如今我們嚴重依賴手機來獲取朋友、同事和親人發來的即時消息，恐怕大家都有過因找不到手機而陷入恐慌的經歷。事實上，當前人類的生活很難不依賴數字計算機。人類是如此依賴數字計算機，以至于如果世界上所有的數字計算機突然停止工作了，那么人類文明也就陷入混亂了。這也是為什么科學家如此密切地關注量子計算機發展。

摩爾定律的終結

到底是什么導致這場混亂和爭議發生的呢？

量子計算機的興起實際上標志著硅時代開始接近尾聲。過去的半個世紀里，摩爾定律揭示了計算機行業強大的爆發規律，它也正是由英特爾的創始人戈登·摩爾提出并命名的。摩爾定律指出，計算機的計算能力每18個月就能翻一番。這個看似簡單的定律實際上有效追蹤并描述了計算機技術的顯著指數級增長。這項發明是人類歷史上前所未有的，沒有其他任何發明能在如此短的時間內產生如此普遍的影響。

計算機這項發明在登上歷史舞臺后，已歷經許多發展階段，每一個新階段的到來都極大地增強了計算機的能力，并且推動了重大的社會變革。事實上，摩爾定律一直可以追溯到19世紀的機械計算機時代。那時候，工程師還只能使用旋轉的圓柱體、齒輪、傳動裝置和輪轂來完成簡單的算術運算。到了20世紀之交，這些計算裝置開始使用電力運轉，于是繼電器和電纜取代了齒輪系統。到第二次世界大戰期間，計算機已經可以通過使用大量真空管進行復雜計算來破解政府高級密碼。第二次世界大戰后，真空管升級為晶體管，而隨著晶體管的體積不斷實現微縮，計算機的速度和功率也實現了持續進步。

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

一切都將成為過去。計算機的每一次轉折性發展，都讓之前的技術遭到創造性破壞的沖擊，并最終走向被淘汰的命運。摩爾定律所指出的發展規律，在現實中已經出現放緩趨勢，照此下去最終勢必將停止。主要原因是，現在的微芯片已經非常緊湊了，最薄的晶體管層大約只有20個原子直徑那樣薄。而當晶體管層繼續壓縮到大約只有5個原子直徑時，電子的位置就將變得不確定，電子可能會逃逸出來，從而導致芯片短路，或者可能會產生大量熱量而進一步導致芯片熔化，囿于此，晶體管層繼續壓縮變薄的空間已經不斷收窄。換言之，根據物理定律，如果想要在主要材料為硅的基礎上繼續微縮，那么摩爾定律最終會面臨崩潰。由此來看，我們可能已經開始步入見證硅時代終結的階段。硅時代之后的下一個時代，可能正是我們所說的后硅時代，或者可以直接稱之為量子時代。

正如英特爾公司的桑賈伊·納塔拉詹所說的：“我們認為，我們已經從這個體系結構中擠出了所有你認為能夠擠出的空間。”

下一輪技術浪潮來臨后，硅谷最終很有可能變成新“銹帶”。

雖然現在放眼望去，一切似乎都還風平浪靜，但是這個新未來遲早會排山倒海而來。正如谷歌人工智能實驗室主任哈特穆特·內文所說：“表面上看起來什么都沒有發生，沒有任何風浪——直到你突然喊出‘哎喲，我怎么就來到這個全新世界了呢’。”

它們為何如此強大？

是什么讓量子計算機如此強大，以至于全世界各個國家都迫不及待地想掌握這項新技術？

從本質上講，所有近現代計算機都是基于數字信息技術的，均采用一系列0和1的組合進行編碼。信息的最小單位，即單個數字，被稱為“位”。將0和1的序列輸入數字處理器，隨后數字處理器就開始進行計算，計算出結果后再輸出。例如，你的互聯網連接速度可以用每秒的比特數（縮寫為bps）來衡量，所以1G帶寬就是指每秒有10億多個字節被發送到你的電腦，因此你可以比較流暢地實時訪問電影、電子郵件、文檔等。

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

原子就像一個一直旋轉的陀螺。在磁場中，它們的位置是相對更加靈活的，可以順應磁場產生向上或向下排列，以此來對應于0或1的排列。數字計算機的計算能力與計算機中的位數（0或1）直接相關。

但亞原子世界的規則是不穩定的，因為原子可能旋轉到兩者的任意組合當中。例如，可能存在這樣一種狀態，原子有10%的時間是自旋向上的、90%的時間是自旋向下的，或者有65%的時間是自旋向上的、35%的時間是自旋向下的。事實上，原子自旋的這種規則可能導致無數種狀態，從而大大增加了去描述更多數量的各種狀態的可能性。因此，原子表現出能夠攜帶更多信息的屬性，這時基本單位也不再是一個比特，而是一個量子位，即同步實現向上和向下的不同組合。數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。對比之下，量子位的能力幾乎可以說是無限的，這是因為在原子水平上，某一個物質往往可以實現同時以多種不同狀態存在，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。因為在原子這個特殊維度上，原子中的電子甚至可以同時在兩個不同狀態下存在，而大型物體是不可能做到這一點的，它們不可能同時出現在兩個不同地方。）

此外，這些量子位之間還可以相互作用，而這對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”。與每一個比特都是處于相對獨立的存在狀態有所不同，每當增加一個新的量子位時，這個量子位都會與之前的所有量子位發生相互作用，從而使原來的量子位之間可能發生相互作用的次數直接增加一倍。也正因有這樣的內在屬性，量子計算機天生就比數字計算機強大得多，因為每增加一個額外量子位，交互次數就會翻倍。

當地時間2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”處理器圖片。研究團隊研制了一個由54個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算空間指數級增長。

舉個例子，當下的量子計算機已經可以擁有100多個量子位。這就意味著，這些量子計算機的計算能力相當于那些只擁有一個量子位的超級計算機的2100倍。

谷歌的Sycamore量子計算機就是全球第一臺實現量子霸權的計算機，其擁有的53個量子位能夠處理720億吉字節內存。因此，在Sycamore這樣的量子計算機面前，任何傳統計算機都相形見絀。

無論是對商業還是對科學來說，量子計算機的強大計算能力帶來的影響都將是巨大的。當我們從數字經濟的世界過渡到量子經濟的世界時，更大的風險也將隨之而來。

本文摘自物理學家加來道雄所著的《量子霸權：量子計算機革命如何改變世界》，澎湃新聞經出版方授權刊載，標題為編者所擬。

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