第一篇
量子計算機崛起

第一章
硅時代的終結

一場革命正在來臨。

2019—2020年，科學界被兩個重磅發明所震撼：兩個研究小組先后宣布其實現了“量子霸權”，成功發明了量子計算機——一種全新型計算機，在處理特定任務時能明顯超越普通數字超級計算機。這不僅預示了一場即將改變整個計算領域的劇變，而且將顛覆我們日常生活的方方面面。

首先，谷歌宣稱自己研發的量子計算機Sycamore可以在200秒以內解決世界上最快的數字超級計算機花1萬年才能完成的數學問題。麻省理工學院主辦期刊《技術評論》稱谷歌的此次研發是一項重大突破，甚至將其與人造衛星的首次發射或者萊特兄弟的首次飛行相媲美，認為其開創了“讓當今最強大的計算機看起來就像是算盤的計算機新時代”[1]。

緊隨其后，中國科學院量子創新研究院[2]更進一步，宣稱自己的量子計算機比普通超級計算機快100萬億倍。

IBM（國際商業機器公司）副總裁鮑伯·蘇托爾在對量子計算機快速崛起發表相關評論時說道：“我認為這將是21世紀最重要的計算技術。”[3]

量子計算機之所以被冠以“終極計算機”稱號，是因為它是技術層面帶有決定性意義的一次飛躍，對整個世界都將產生深遠影響。量子計算機并不是通過微小的晶體管開展計算的，而是通過更小的媒介，即原子本身，從而能夠在計算能力上輕松打敗當下最強大的超級計算機。量子計算機有很大可能將為我們的經濟、社會以及生活方式開創一個全新的時代。

同時，量子計算機并不僅僅是一種功能十分強大的計算機器，它還代表了一種新型計算方式，可以解決數字計算機永遠無法解決的問題，即使在不考慮時間限制這個維度的情況下也是如此。比如，數字計算機沒有能力準確計算原子之間是如何結合并發生關鍵化學反應的，尤其是那些與生命科學相關的化學反應。數字計算機只能夠基于一系列0和1組成的數字開展線性計算，而只基于兩個數字來開展計算實在是太粗糙了，根本達不到準確描述出分子內部電子波動所需的精細程度。再如，在對迷宮中的老鼠所走過的路徑開展煩瑣的計算時，數字計算機是通過一條接一條地分析每一條可能路徑的笨拙方式來實現的，而量子計算機則能以閃電般的速度，同時開展對所有可能路徑的分析并完成計算。

量子計算機顯露出的強大性能，加劇了計算機巨頭之間的競爭。這些巨頭都想制造出世界上最強大的量子計算機。2021年，IBM推出了自己的量子計算機“Eagle”（鷹）。Eagle的計算能力遠超以往所有型號的量子計算機，處于領先地位。

但這些記錄其實恰恰就像餡餅皮——只是為了打破而存在。

正因為意識到這場革命即將帶來深刻影響，所以世界上許多領頭雁公司都選擇在這項新技術上斥以巨資，就不足為奇。谷歌、微軟、英特爾、IBM、里格蒂計算公司和霍尼韋爾等無一不在開發量子計算原型機。硅谷的這些領頭雁已經意識到，自己必須緊跟這場革命的步伐，否則就會被淘汰。

IBM、霍尼韋爾和里格蒂計算公司都已經在互聯網上公開了自己研發的第一代量子計算機，因此公眾有機會首次與量子計算親密接觸，并不斷被激發出對量子計算的好奇和興趣。人們可以通過連接互聯網上的量子計算機親自體驗這場新的量子革命。比如，2016年發布的名為“IBM Q Experience”的量子計算機，就通過互聯網推出了15臺量子計算機供公眾免費使用。三星和摩根大通也是其用戶。目前，每個月約有2 000人使用量子計算機，使用者包括從小學生到教授的各大群體。

華爾街也對這項技術抱有濃厚興趣。IonQ成為量子計算領域的第一家大型上市公司，在2021年首次公開募股（IPO）中募集了6億美元。更令人震驚的是，資本競爭似乎比技術競爭更激烈，以至于一家名為PsiQuantum的初創公司在沒有制造出任何能夠看到商業價值的原型機，也沒有任何產業業績記錄的情況下，其估值在華爾街一下子就飆升到了31億美元，創造了一夜之間得到6.65億美元的傳奇故事。連商業分析師都表示，他們很少見到這種事——一家新公司僅僅靠狂熱的投機浪潮以及聳人聽聞的頭條新聞，就能在短時間內達成如此高的商業價值。

咨詢和會計公司德勤預計，量子計算機市場在21世紀20年代將達到數億美元，而在21世紀30年代將達到數百億美元。盡管沒有人能夠準確判斷量子計算機究竟會在哪個時點踏入商業市場并改變整個經濟格局，但相關預測一直在不斷調整，以適應該領域前所未有的科學技術發明速度。針對量子計算機迅速崛起這一熱潮，薩帕塔計算公司（Zapata Computing）首席執行官克里斯托弗·薩瓦的觀點是：“不再有‘是’或者‘否’的問題，只是‘何時’的問題。”[4]

對此現象感興趣的不僅僅是企業，美國國會也表現出愿意幫助啟動新興量子技術的興趣。在意識到其他國家已經開始對量子計算機研究進行慷慨資助之后，美國國會通過了《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act），提供種子基金以激發該領域的創新研究。該法案授權成立2~5個新的國家量子信息科學研究中心，每個中心每年可以獲得8 000萬美元的資助。

2021年，美國政府還宣布將在量子技術領域投資6.25億美元，由美國能源部監管。微軟、IBM和洛克希德·馬丁等大公司還為該項目額外捐助了3.4億美元。

動用政府資金來加速量子技術研究的國家不止中國和美國，英國政府目前也正在建設國家量子計算中心，計劃設置在牛津郡科學技術設施委員會的哈韋爾實驗室，是專門為量子計算研究而設立的。在政府推動下，截至2019年底，英國共有30家量子計算機初創公司順利成立。

行業分析人士認識到，一場萬億美元的賭博已經開始。之所以說是一場賭博，是因為這個領域的競爭相當激烈，并且沒有任何保障。盡管包括谷歌在內的公司近年來已經取得了令人印象深刻的技術成就，但距離真正造出一臺能夠切實可行地解決人類世界現實問題的量子計算機，還有很長的路要走。對于我們追求的量子計算機而言，艱巨的工作仍然擺在面前。一些評論家甚至宣稱這可能是一場徒勞無功的追逐，但計算機公司早就想明白的是，盡管成功的可能性很小，但只要存在，它們就必須提前做好準備，否則在浪潮來臨之后，自己面臨的就只有被淘汰。

正如麥肯錫咨詢公司的合伙人伊萬·奧斯托伊奇所說的那樣：“凡是量子技術最有可能徹底顛覆的行業，其相關公司都應該盡早參與到量子技術中來。”[5]同時，化學、醫學、石油和天然氣、運輸、物流、銀行、制藥和網絡安全等領域都已經非常成熟，均有條件開展重大變革。他補充道：“原則上，量子技術將會與所有公司及其首席信息官息息相關，因為這種技術可以加速解決與信息相關的一系列問題，所以這些公司需要成為量子能力的所有者。”

加拿大量子計算公司D-Wave Systems前任首席執行官維恩·布朗內爾則明確表示：“我們堅信，人類正處于突破經典計算所無法提供的功能的浪潮之巔。”

而科學界已經有多位科學家認同當下正步入全新時代，而這個全新時代所帶來的沖擊力絕不亞于當年晶體管和微芯片出現并開創時代所產生的沖擊力。一些看上去甚至和計算機生產毫無關聯的公司，如梅賽德斯-奔馳的母公司汽車行業巨頭戴姆勒集團，也已經在這項新技術方面開展了投資，意識到量子計算機未來將會為自己在行業中的新發展鋪平道路。作為奔馳競爭對手的寶馬，其高管尤利烏斯·馬爾恰這樣寫道：“我們非常榮幸研究量子計算推動汽車行業變革的潛力，并且致力于擴大工程性能的極限。”[6]其他大公司，包括大眾、空中客車，也都已經成立了自己的量子計算研究部門，正在不斷探索這項新技術將會如何徹底改變自己的業務。

制藥公司也正密切關注著這一領域的發展，它們意識到量子計算機模擬復雜化學和生物過程的能力遠遠超出數字計算機。它們現在所用的專門用于測試數百萬種藥物的龐大設備，也許突然有一天會被在網絡空間當中就能完成藥物測試的“虛擬實驗室”所取代。還有一些人擔心，也許藥劑師這個行業未來將不復存在。但藥物發現領域的博主德里克·洛說：“并不是新機器會取代藥劑師，而是會使用新機器的藥劑師將取代不會使用新機器的同行。”[7]

瑞士日內瓦郊外有一座大型強子對撞機，它是目前世界上最大的科學機器，能夠以14萬億電子伏特的能量完成質子撞擊，從而模擬早期宇宙形成的條件，而即使是這樣一個高精尖的大家伙，現在也在借助量子計算機來篩選堆積如山的數據。量子計算機可以在1秒鐘內完成大約10億次粒子碰撞產生的多達1萬億字節的數據的相關處理。也許真的有一天，量子計算機會揭開宇宙誕生的秘密。