量子計(jì)算將如何改變我們的世界

來源/ 公眾號(hào)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(shí)代周刊

建造世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的一個(gè)小秘密，可能就在您的浴室柜子里。

在美國(guó)紐約州韋斯特切斯特縣的IBM托馬斯·沃森研究中心，科學(xué)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(shí)需要修補(bǔ)油桶大小的量子計(jì)算機(jī)，它的最新型號(hào)完成某些計(jì)算任務(wù)的速度，是筆記本電腦的數(shù)百萬倍。

IBM量子計(jì)算機(jī)System One的表面用與名畫蒙娜·麗莎同款的防爆玻璃保護(hù)，后面是閃閃發(fā)光的鋁罐，再里面是三個(gè)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(huán)形銀線組成的“枝形吊燈”，這些銀線穿過厚實(shí)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(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)。大多數(shù)材料在如此低溫下會(huì)收縮或變脆并折斷。事實(shí)證明，如果您需要固定不規(guī)則的金屬絲時(shí)，普通牙線可以很好的完成這個(gè)任務(wù)。

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(fā)的氣體會(huì)把一切搞砸?！?/p>

量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的“枝形吊燈”細(xì)節(jié)，它們用于將其量子計(jì)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(duì)于下一代計(jì)算機(jī)來說并不實(shí)用。IBM設(shè)計(jì)了更靈活的低溫柔軟排線來代替環(huán)狀電線。

這是一項(xiàng)將要改變幾乎所有事物的技術(shù)——量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)奇怪之處。量子計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力已經(jīng)開始優(yōu)化全球數(shù)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(hù)理，并在原子水平上模擬化學(xué)過程以更好地設(shè)計(jì)新材料。它還有望增強(qiáng)人工智能：它能更好地訓(xùn)練算法，最終將無人駕駛汽車變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。美國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)總監(jiān) Chris Inglis告訴《時(shí)代》周刊，量子人工智能模擬展現(xiàn)出“令人難以置信的有效性和效率能力”。

量子計(jì)算最早的采用者是資產(chǎn)管理公司，對(duì)它們來說，采用量子計(jì)算幾乎不會(huì)增加間接成本，但其它商業(yè)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(guó)客戶成功開展了試點(diǎn)項(xiàng)目，證明其量子算法可以使外匯交易利潤(rùn)翻倍，并發(fā)現(xiàn)幾乎四倍的生產(chǎn)線缺陷?！傲孔由疃葘W(xué)習(xí)算法與經(jīng)典算法完全不同，”Multiverse 首席執(zhí)行官Enrique Lizaso Olmos說：“你可以更快地訓(xùn)練它們，嘗試更多的策略，它們更善于從大量數(shù)據(jù)中獲取重要的相關(guān)性?！?/p>

從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴的科技巨頭，正在競(jìng)相主導(dǎo)這個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司的分析，全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)將從2020年的4.12億美元增長(zhǎng)到2027年的86億美元。

從量子計(jì)算機(jī)接收的數(shù)據(jù)必須饋送到經(jīng)典控制電子系統(tǒng)的機(jī)架以處理計(jì)算

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依靠二進(jìn)制“比特”——打開或關(guān)閉開關(guān)，表示為1和0來處理信息，而支撐量子計(jì)算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，它們可以同時(shí)存在于一定比例的兩種狀態(tài)中，類似于在半空中旋轉(zhuǎn)的硬幣。這種從雙變量處理到多變量處理的飛躍以指數(shù)方式提高了計(jì)算能力。目前需要最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)數(shù)年才能解決的復(fù)雜問題可能在幾秒鐘內(nèi)得到解決。未來的量子計(jì)算機(jī)可以開辟科學(xué)上深不可測(cè)的前沿領(lǐng)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(fēng)口浪尖。

但任何顛覆都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，它的超強(qiáng)算力將很快使所有現(xiàn)有的密碼都過時(shí)，危及通信、金融交易?！叭藗儗⒘孔佑?jì)算描述為一場(chǎng)新的太空競(jìng)賽，”行業(yè)刊物Inside Quantum Technology（量子技術(shù)內(nèi)參）的運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Dan O'Shea說。“這項(xiàng)技術(shù)將成為下一次工業(yè)革命，”Quantinuum總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官Tony Uttley說。Quantinuum是一家位于科羅拉多州的公司，提供商業(yè)量子應(yīng)用?！斑@類似于互聯(lián)網(wǎng)的開始，或者經(jīng)典計(jì)算的開始。”

從20世紀(jì)70年代后期開創(chuàng)性的個(gè)人計(jì)算機(jī)Apple II 到今天的智能手機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)，所有處理器都將任務(wù)分解為二進(jìn)制。但自然是如此復(fù)雜，以二進(jìn)制如此基本的方式呈現(xiàn)信息就像用摩爾斯電碼演奏拉赫瑪尼諾夫協(xié)奏曲一樣。

量子計(jì)算可能更符合自然。因?yàn)橛钪娴幕肿泳褪峭ㄟ^電子結(jié)合在一起的多個(gè)原子，電子作為每個(gè)原子的一部分存在。這些電子本質(zhì)上同時(shí)占據(jù)兩種狀態(tài)的方式就是量子粒子存在的方式，也是量子計(jì)算的原理。所以量子計(jì)算可以預(yù)測(cè)藥物如何與人體相互作用，或是物質(zhì)在腐蝕下的表現(xiàn)，為自然科學(xué)和材料科學(xué)提供依據(jù)。傳統(tǒng)制造業(yè)需要通過計(jì)算進(jìn)行猜測(cè)，再通過反復(fù)試驗(yàn)取得突破。而通過直接反映自然世界，量子計(jì)算將允許我們有目的地設(shè)計(jì)物質(zhì)的改變方向。

雖然世界上最大的公司以及數(shù)百家初創(chuàng)公司都在呼吁利用量子技術(shù)，但I(xiàn)BM近年來已然成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。如今該公司擁有60多臺(tái)運(yùn)行中的量子計(jì)算機(jī)——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?？松梨诘剿髂岬葞缀跛行袠I(yè)的巨頭。對(duì)于這家傳奇公司來說，重返技術(shù)巔峰是可喜的事情。IBM成立于一個(gè)多世紀(jì)前，主要生產(chǎn)配備打孔卡的制表機(jī)。近年來，IBM在云計(jì)算和人工智能方面沒有搶占先機(jī)，落后于蘋果、微軟等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，直到量子計(jì)算才為IBM挽回了一些局面?！霸俅位氐綆p峰真是太好了，”一位高管說：“我們這次沒有飄在云上讓機(jī)會(huì)溜走?！?/p>

量子芯片極其敏感。這個(gè)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(shí)驗(yàn)。

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(qiáng)大的超導(dǎo)型量子處理器，其理論上的信息存儲(chǔ)能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過已知宇宙中的原子總數(shù)。IBM在其開源量子工具平臺(tái)Qiskit上提供了二十多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，迄今為止服務(wù)計(jì)算量已超過450,00 次。IBM為了圍繞量子建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)，將其中一些機(jī)器設(shè)為可以免費(fèi)使用，而初創(chuàng)公司和學(xué)者等付費(fèi)客戶可以在租賃的基礎(chǔ)上遠(yuǎn)程訪問更強(qiáng)大的機(jī)器。

IBM還有一個(gè)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(chuàng)建連接同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中多個(gè)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(gè)很大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，”IBM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)Dario Gil說：“我們現(xiàn)在已經(jīng)有辦法設(shè)計(jì)出擁有數(shù)萬個(gè)量子比特的機(jī)器?！?/p>

量子的工業(yè)用途是無限的。在寶馬位于慕尼黑的總部?jī)?nèi)，有一堵墻曾讓汽車設(shè)計(jì)師徹夜難眠。從零開始打造一款新車型至少需要四年時(shí)間。首先，設(shè)計(jì)師使用計(jì)算機(jī)輔助造型勾勒出兼具美感與實(shí)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(fēng)洞中以評(píng)估空氣動(dòng)力學(xué)。在對(duì)內(nèi)飾、發(fā)動(dòng)機(jī)性能等做出無數(shù)決定后，最終測(cè)試即將到來：一輛原型車以35英里/時(shí)的速度撞上那堵傳說中的墻，以測(cè)試它在碰撞中的表現(xiàn)。如果汽車不符合各種安全標(biāo)準(zhǔn)，它就會(huì)重新設(shè)計(jì)。

位于紐約約克敦高地的IBM研究實(shí)驗(yàn)室。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的完整“枝形吊燈”——稀釋制冷機(jī)。

這就是量子可以通過準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同形狀的復(fù)雜材料在壓力下的表現(xiàn)來提供幫助的地方?！胺€(wěn)健的模擬碰撞測(cè)試可以在整個(gè)過程中節(jié)省長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的時(shí)間，”寶馬集團(tuán)戰(zhàn)略治理和IT安全副總裁Carsten Sapia說，他們正在與法國(guó)量子公司Pasqal合作。“量子計(jì)算還將幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)、最大內(nèi)部空間和最佳空氣動(dòng)力學(xué)之間找到新的最佳選擇?！?/p>

這僅僅是個(gè)開始?，F(xiàn)代商業(yè)充滿了最適合量子算法的優(yōu)化問題，可以節(jié)省時(shí)間、精力和資源?！拔覀儾粌H僅是在構(gòu)建技術(shù)，我們還必須讓員工能夠使用它，”IBM量子戰(zhàn)略和應(yīng)用研究主管Katie Pizzolato解釋說。

Sapia說找到這項(xiàng)技術(shù)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(duì)跨境數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗圃絹碓絿?yán)格，寶馬已經(jīng)無法從歐洲與其在其它國(guó)家的汽車進(jìn)行通信，以進(jìn)行駕駛軟件維護(hù)和監(jiān)控。Sapia說：“未來，我們將依靠世界各地都能獲得量子技術(shù)來開展業(yè)務(wù)。那么如何設(shè)置它，以便無論在地緣政治范圍內(nèi)發(fā)生什么，我們?nèi)匀豢梢允褂眠@項(xiàng)技術(shù)呢？”

IBM研究實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部。

如今，幾乎所有網(wǎng)絡(luò)安全——無論是聊天軟件上的消息、銀行轉(zhuǎn)賬還是數(shù)字握手——都基于RSA算法，這是一種用于安全傳輸數(shù)據(jù)的非對(duì)稱加密算法。但是，雖然普通計(jì)算機(jī)需要數(shù)十億年才能破解RSA密碼，但未來快速的量子計(jì)算機(jī)只需要幾個(gè)小時(shí)。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)后量子安全的競(jìng)賽已經(jīng)開始——這項(xiàng)工作落到了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的肩上。2016年，NIST宣布了一項(xiàng)程序員競(jìng)賽，旨在提出新的后量子加密算法。結(jié)果喜憂參半：2022年7月5日公布的一個(gè)決賽入圍加密算法，在一個(gè)多小時(shí)內(nèi)就被一臺(tái)普通筆記本電腦破解了。

在某些方面，這已經(jīng)太晚了。盡管足以破解RSA的量子計(jì)算機(jī)距離公開可用還有幾年的時(shí)間，但黑客已經(jīng)在獲取和存儲(chǔ)敏感數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄冎浪麄兒芸炀湍芡ㄟ^量子訪問這些數(shù)據(jù)。IBM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)Gil說：“如果你不轉(zhuǎn)換成后量子安全加密協(xié)議，就沒有挽回的余地?！?/p>

圍繞量子的恐懼不僅僅源于安全風(fēng)險(xiǎn)。我們信任經(jīng)典計(jì)算機(jī)的部分原因是我們可以用筆和紙來驗(yàn)證它們的計(jì)算。但量子計(jì)算機(jī)涉及如此神秘的物理學(xué)，并處理如此復(fù)雜的問題，很難用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。目前還可以在傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬少數(shù)量子比特的計(jì)算來檢查結(jié)果，但無法驗(yàn)證的情況很快就會(huì)到來。信任量子計(jì)算機(jī)需要信念的飛躍。Uttley說：“現(xiàn)在在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中建立信任非常重要?！?/p>

例如，波音公司自2020年以來一直與IBM的量子團(tuán)隊(duì)合作，為其下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)新材料。但鑒于巨大的風(fēng)險(xiǎn)，該公司并不著急出結(jié)果?！拔覀冇脕碓O(shè)計(jì)飛機(jī)的建模工具受到密切監(jiān)控，”波音公司負(fù)責(zé)顛覆性計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的總工程師 Jay Lowell說：“將量子計(jì)算變成可操作的代碼是一個(gè)巨大的障礙?！?/p>

IBM非常了解這一點(diǎn)。但通過開源其量子計(jì)算機(jī)并歡迎來自各地的學(xué)者和企業(yè)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(lǐng)域?！?/p>

量子計(jì)算機(jī)周圍的玻璃外殼讓IBM能嚴(yán)密控制內(nèi)部溫度。這對(duì)于量子芯片至關(guān)重要，它必須保持在絕對(duì)零度附近。