量子計算將如何改變我們的世界

來源/ 公眾號量子前哨（有刪減）

文：查理·坎貝爾 (CHARLIE CAMPBELL)

編譯：王珩

編輯：慕一

圖片來源：時代周刊

建造世界上最強大的計算機的一個小秘密，可能就在您的浴室柜子里。

在美國紐約州韋斯特切斯特縣的IBM托馬斯·沃森研究中心，科學家們總是隨身攜帶一盒牙線——首選品牌是Reach——以便于他們隨時需要修補油桶大小的量子計算機，它的最新型號完成某些計算任務的速度，是筆記本電腦的數百萬倍。

IBM量子計算機System One的表面用與名畫蒙娜·麗莎同款的防爆玻璃保護，后面是閃閃發光的鋁罐，再里面是三個圓周遞減的圓柱體，就像一組俄羅斯套娃。它們一起包裹著一盞由環形銀線組成的“枝形吊燈”，這些銀線穿過厚實的層疊金板連接到底座中的量子芯片。為了正常工作，該芯片需要置于0.015開爾文的超低溫空腔中——這溫度比外太空還要冷，僅比絕對零度高一點點。大多數材料在如此低溫下會收縮或變脆并折斷。事實證明，如果您需要固定不規則的金屬絲時，普通牙線可以很好的完成這個任務。

IBM量子副總裁Jay Gambetta說：“但僅限于未上蠟、未加香料的那種牙線。否則，它上面揮發的氣體會把一切搞砸。”

量子計算機內部的“枝形吊燈”細節，它們用于將其量子計算芯片冷卻到低于外太空的溫度。

量子“枝形吊燈”可能看起來很壯觀，但對于下一代計算機來說并不實用。IBM設計了更靈活的低溫柔軟排線來代替環狀電線。

這是一項將要改變幾乎所有事物的技術——量子計算機的一個奇怪之處。量子計算機處理大量數據的獨特能力已經開始優化全球數千輛油輪的路線，還能幫助決定哪些ICU患者需要最緊急的護理，并在原子水平上模擬化學過程以更好地設計新材料。它還有望增強人工智能：它能更好地訓練算法，最終將無人駕駛汽車變為現實。美國國家網絡總監 Chris Inglis告訴《時代》周刊，量子人工智能模擬展現出“令人難以置信的有效性和效率能力”。

量子計算最早的采用者是資產管理公司，對它們來說，采用量子計算幾乎不會增加間接成本，但其它商業用途也不甘落后。西班牙公司Multiverse Computing與巴斯夫公司和博世公司等跨國客戶成功開展了試點項目，證明其量子算法可以使外匯交易利潤翻倍，并發現幾乎四倍的生產線缺陷。“量子深度學習算法與經典算法完全不同，”Multiverse 首席執行官Enrique Lizaso Olmos說：“你可以更快地訓練它們，嘗試更多的策略，它們更善于從大量數據中獲取重要的相關性。”

從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴的科技巨頭，正在競相主導這個領域。根據國際數據公司的分析，全球量子計算產業預計將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元。

從量子計算機接收的數據必須饋送到經典控制電子系統的機架以處理計算

傳統計算機依靠二進制“比特”——打開或關閉開關，表示為1和0來處理信息，而支撐量子計算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，它們可以同時存在于一定比例的兩種狀態中，類似于在半空中旋轉的硬幣。這種從雙變量處理到多變量處理的飛躍以指數方式提高了計算能力。目前需要最強大的超級計算機花費數年才能解決的復雜問題可能在幾秒鐘內得到解決。未來的量子計算機可以開辟科學上深不可測的前沿領域，幫助解決氣候變化和糧食安全等生存問題。最近的一系列突破和政府投資意味著我們正處于量子革命的風口浪尖。

但任何顛覆都伴隨著風險，它的超強算力將很快使所有現有的密碼都過時，危及通信、金融交易。“人們將量子計算描述為一場新的太空競賽，”行業刊物Inside Quantum Technology（量子技術內參）的運營經理Dan O'Shea說。“這項技術將成為下一次工業革命，”Quantinuum總裁兼首席運營官Tony Uttley說。Quantinuum是一家位于科羅拉多州的公司，提供商業量子應用。“這類似于互聯網的開始，或者經典計算的開始。”

從20世紀70年代后期開創性的個人計算機Apple II 到今天的智能手機和超級計算機，所有處理器都將任務分解為二進制。但自然是如此復雜，以二進制如此基本的方式呈現信息就像用摩爾斯電碼演奏拉赫瑪尼諾夫協奏曲一樣。

量子計算可能更符合自然。因為宇宙的基石——分子就是通過電子結合在一起的多個原子，電子作為每個原子的一部分存在。這些電子本質上同時占據兩種狀態的方式就是量子粒子存在的方式，也是量子計算的原理。所以量子計算可以預測藥物如何與人體相互作用，或是物質在腐蝕下的表現，為自然科學和材料科學提供依據。傳統制造業需要通過計算進行猜測，再通過反復試驗取得突破。而通過直接反映自然世界，量子計算將允許我們有目的地設計物質的改變方向。

雖然世界上最大的公司以及數百家初創公司都在呼吁利用量子技術，但IBM近年來已然成為行業領導者。如今該公司擁有60多臺運行中的量子計算機——比世界其他地方的總和還要多——以及一份沉甸甸的合作者名單，其中包括從埃克森美孚到索尼等幾乎所有行業的巨頭。對于這家傳奇公司來說，重返技術巔峰是可喜的事情。IBM成立于一個多世紀前，主要生產配備打孔卡的制表機。近年來，IBM在云計算和人工智能方面沒有搶占先機，落后于蘋果、微軟等競爭對手，直到量子計算才為IBM挽回了一些局面。“再次回到巔峰真是太好了，”一位高管說：“我們這次沒有飄在云上讓機會溜走。”

量子芯片極其敏感。這個有十年歷史的早期IBM量子處理器被用于證明宇宙微波背景輻射影響量子比特的實驗。

2022年11月，IBM推出了其新的433量子比特Osprey（魚鷹）芯片——是目前世界上最強大的超導型量子處理器，其理論上的信息存儲能力將遠遠超過已知宇宙中的原子總數。IBM在其開源量子工具平臺Qiskit上提供了二十多臺量子計算機，迄今為止服務計算量已超過450,00 次。IBM為了圍繞量子建立一個產業，將其中一些機器設為可以免費使用，而初創公司和學者等付費客戶可以在租賃的基礎上遠程訪問更強大的機器。

IBM還有一個大膽的路線圖，今年將推出1,121量子比特的處理器，并通過創建連接同一臺計算機中多個處理器芯片的模塊化量子電路，到2025年超過4,000量子比特。“模塊化是一個很大的轉折點，”IBM高級副總裁兼研究總監Dario Gil說：“我們現在已經有辦法設計出擁有數萬個量子比特的機器。”

量子的工業用途是無限的。在寶馬位于慕尼黑的總部內，有一堵墻曾讓汽車設計師徹夜難眠。從零開始打造一款新車型至少需要四年時間。首先，設計師使用計算機輔助造型勾勒出兼具美感與實用性的外觀草圖。接下來，用粘土雕刻比例模型并將其放置在風洞中以評估空氣動力學。在對內飾、發動機性能等做出無數決定后，最終測試即將到來：一輛原型車以35英里/時的速度撞上那堵傳說中的墻，以測試它在碰撞中的表現。如果汽車不符合各種安全標準，它就會重新設計。

位于紐約約克敦高地的IBM研究實驗室。

超導量子計算機內部的完整“枝形吊燈”——稀釋制冷機。

這就是量子可以通過準確預測不同形狀的復雜材料在壓力下的表現來提供幫助的地方。“穩健的模擬碰撞測試可以在整個過程中節省長達六個月的時間，”寶馬集團戰略治理和IT安全副總裁Carsten Sapia說，他們正在與法國量子公司Pasqal合作。“量子計算還將幫助我們在設計、最大內部空間和最佳空氣動力學之間找到新的最佳選擇。”

這僅僅是個開始。現代商業充滿了最適合量子算法的優化問題，可以節省時間、精力和資源。“我們不僅僅是在構建技術，我們還必須讓員工能夠使用它，”IBM量子戰略和應用研究主管Katie Pizzolato解釋說。

Sapia說找到這項技術的用途很容易——問題在于確保BMW的所有部門都能使用它。由于對跨境數據傳輸的限制越來越嚴格，寶馬已經無法從歐洲與其在其它國家的汽車進行通信，以進行駕駛軟件維護和監控。Sapia說：“未來，我們將依靠世界各地都能獲得量子技術來開展業務。那么如何設置它，以便無論在地緣政治范圍內發生什么，我們仍然可以使用這項技術呢？”

IBM研究實驗室的內部。

如今，幾乎所有網絡安全——無論是聊天軟件上的消息、銀行轉賬還是數字握手——都基于RSA算法，這是一種用于安全傳輸數據的非對稱加密算法。但是，雖然普通計算機需要數十億年才能破解RSA密碼，但未來快速的量子計算機只需要幾個小時。現在，設計后量子安全的競賽已經開始——這項工作落到了美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的肩上。2016年，NIST宣布了一項程序員競賽，旨在提出新的后量子加密算法。結果喜憂參半：2022年7月5日公布的一個決賽入圍加密算法，在一個多小時內就被一臺普通筆記本電腦破解了。

在某些方面，這已經太晚了。盡管足以破解RSA的量子計算機距離公開可用還有幾年的時間，但黑客已經在獲取和存儲敏感數據，因為他們知道他們很快就能通過量子訪問這些數據。IBM高級副總裁兼研究總監Gil說：“如果你不轉換成后量子安全加密協議，就沒有挽回的余地。”

圍繞量子的恐懼不僅僅源于安全風險。我們信任經典計算機的部分原因是我們可以用筆和紙來驗證它們的計算。但量子計算機涉及如此神秘的物理學，并處理如此復雜的問題，很難用傳統的方法進行驗證。目前還可以在傳統的超級計算機上模擬少數量子比特的計算來檢查結果，但無法驗證的情況很快就會到來。信任量子計算機需要信念的飛躍。Uttley說：“現在在整個生態系統中建立信任非常重要。”

例如，波音公司自2020年以來一直與IBM的量子團隊合作，為其下一代飛機設計新材料。但鑒于巨大的風險，該公司并不著急出結果。“我們用來設計飛機的建模工具受到密切監控，”波音公司負責顛覆性計算和網絡的總工程師 Jay Lowell說：“將量子計算變成可操作的代碼是一個巨大的障礙。”

IBM非常了解這一點。但通過開源其量子計算機并歡迎來自各地的學者和企業家，該公司希望能減輕這種猶豫。正如Gil所說：“這是人類的新領域。”

量子計算機周圍的玻璃外殼讓IBM能嚴密控制內部溫度。這對于量子芯片至關重要，它必須保持在絕對零度附近。