第一篇
量子計算機(jī)崛起

第一章
硅時代的終結(jié)

一場革命正在來臨。

2019—2020年，科學(xué)界被兩個重磅發(fā)明所震撼：兩個研究小組先后宣布其實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，成功發(fā)明了量子計算機(jī)——一種全新型計算機(jī)，在處理特定任務(wù)時能明顯超越普通數(shù)字超級計算機(jī)。這不僅預(yù)示了一場即將改變整個計算領(lǐng)域的劇變，而且將顛覆我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

首先，谷歌宣稱自己研發(fā)的量子計算機(jī)Sycamore可以在200秒以內(nèi)解決世界上最快的數(shù)字超級計算機(jī)花1萬年才能完成的數(shù)學(xué)問題。麻省理工學(xué)院主辦期刊《技術(shù)評論》稱谷歌的此次研發(fā)是一項重大突破，甚至將其與人造衛(wèi)星的首次發(fā)射或者萊特兄弟的首次飛行相媲美，認(rèn)為其開創(chuàng)了“讓當(dāng)今最強(qiáng)大的計算機(jī)看起來就像是算盤的計算機(jī)新時代”[1]。

緊隨其后，中國科學(xué)院量子創(chuàng)新研究院[2]更進(jìn)一步，宣稱自己的量子計算機(jī)比普通超級計算機(jī)快100萬億倍。

IBM（國際商業(yè)機(jī)器公司）副總裁鮑伯·蘇托爾在對量子計算機(jī)快速崛起發(fā)表相關(guān)評論時說道：“我認(rèn)為這將是21世紀(jì)最重要的計算技術(shù)。”[3]

量子計算機(jī)之所以被冠以“終極計算機(jī)”稱號，是因為它是技術(shù)層面帶有決定性意義的一次飛躍，對整個世界都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。量子計算機(jī)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(dāng)下最強(qiáng)大的超級計算機(jī)。量子計算機(jī)有很大可能將為我們的經(jīng)濟(jì)、社會以及生活方式開創(chuàng)一個全新的時代。

同時，量子計算機(jī)并不僅僅是一種功能十分強(qiáng)大的計算機(jī)器，它還代表了一種新型計算方式，可以解決數(shù)字計算機(jī)永遠(yuǎn)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(shù)字計算機(jī)沒有能力準(zhǔn)確計算原子之間是如何結(jié)合并發(fā)生關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)的，尤其是那些與生命科學(xué)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。數(shù)字計算機(jī)只能夠基于一系列0和1組成的數(shù)字開展線性計算，而只基于兩個數(shù)字來開展計算實在是太粗糙了，根本達(dá)不到準(zhǔn)確描述出分子內(nèi)部電子波動所需的精細(xì)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(shù)字計算機(jī)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(xiàn)的，而量子計算機(jī)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(jī)顯露出的強(qiáng)大性能，加劇了計算機(jī)巨頭之間的競爭。這些巨頭都想制造出世界上最強(qiáng)大的量子計算機(jī)。2021年，IBM推出了自己的量子計算機(jī)“Eagle”（鷹）。Eagle的計算能力遠(yuǎn)超以往所有型號的量子計算機(jī)，處于領(lǐng)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(lǐng)頭雁公司都選擇在這項新技術(shù)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(fā)量子計算原型機(jī)。硅谷的這些領(lǐng)頭雁已經(jīng)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(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上公開了自己研發(fā)的第一代量子計算機(jī)，因此公眾有機(jī)會首次與量子計算親密接觸，并不斷被激發(fā)出對量子計算的好奇和興趣。人們可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)上的量子計算機(jī)親自體驗這場新的量子革命。比如，2016年發(fā)布的名為“IBM Q Experience”的量子計算機(jī)，就通過互聯(lián)網(wǎng)推出了15臺量子計算機(jī)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(jī)，使用者包括從小學(xué)生到教授的各大群體。

華爾街也對這項技術(shù)抱有濃厚興趣。IonQ成為量子計算領(lǐng)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(shù)競爭更激烈，以至于一家名為PsiQuantum的初創(chuàng)公司在沒有制造出任何能夠看到商業(yè)價值的原型機(jī)，也沒有任何產(chǎn)業(yè)業(yè)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(chuàng)造了一夜之間得到6.65億美元的傳奇故事。連商業(yè)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(jī)浪潮以及聳人聽聞的頭條新聞，就能在短時間內(nèi)達(dá)成如此高的商業(yè)價值。

咨詢和會計公司德勤預(yù)計，量子計算機(jī)市場在21世紀(jì)20年代將達(dá)到數(shù)億美元，而在21世紀(jì)30年代將達(dá)到數(shù)百億美元。盡管沒有人能夠準(zhǔn)確判斷量子計算機(jī)究竟會在哪個時點踏入商業(yè)市場并改變整個經(jīng)濟(jì)格局，但相關(guān)預(yù)測一直在不斷調(diào)整，以適應(yīng)該領(lǐng)域前所未有的科學(xué)技術(shù)發(fā)明速度。針對量子計算機(jī)迅速崛起這一熱潮，薩帕塔計算公司（Zapata Computing）首席執(zhí)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(xiàn)象感興趣的不僅僅是企業(yè)，美國國會也表現(xiàn)出愿意幫助啟動新興量子技術(shù)的興趣。在意識到其他國家已經(jīng)開始對量子計算機(jī)研究進(jìn)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(fā)該領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。該法案授權(quán)成立2~5個新的國家量子信息科學(xué)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(shù)領(lǐng)域投資6.25億美元，由美國能源部監(jiān)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(shù)研究的國家不止中國和美國，英國政府目前也正在建設(shè)國家量子計算中心，計劃設(shè)置在牛津郡科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會的哈韋爾實驗室，是專門為量子計算研究而設(shè)立的。在政府推動下，截至2019年底，英國共有30家量子計算機(jī)初創(chuàng)公司順利成立。

行業(yè)分析人士認(rèn)識到，一場萬億美元的賭博已經(jīng)開始。之所以說是一場賭博，是因為這個領(lǐng)域的競爭相當(dāng)激烈，并且沒有任何保障。盡管包括谷歌在內(nèi)的公司近年來已經(jīng)取得了令人印象深刻的技術(shù)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(xiàn)實問題的量子計算機(jī)，還有很長的路要走。對于我們追求的量子計算機(jī)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(jī)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(zhǔn)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(shù)最有可能徹底顛覆的行業(yè)，其相關(guān)公司都應(yīng)該盡早參與到量子技術(shù)中來。”[5]同時，化學(xué)、醫(yī)學(xué)、石油和天然氣、運輸、物流、銀行、制藥和網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域都已經(jīng)非常成熟，均有條件開展重大變革。他補(bǔ)充道：“原則上，量子技術(shù)將會與所有公司及其首席信息官息息相關(guān)，因為這種技術(shù)可以加速解決與信息相關(guān)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(zhí)行官維恩·布朗內(nèi)爾則明確表示：“我們堅信，人類正處于突破經(jīng)典計算所無法提供的功能的浪潮之巔。”

而科學(xué)界已經(jīng)有多位科學(xué)家認(rèn)同當(dāng)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(dāng)年晶體管和微芯片出現(xiàn)并開創(chuàng)時代所產(chǎn)生的沖擊力。一些看上去甚至和計算機(jī)生產(chǎn)毫無關(guān)聯(lián)的公司，如梅賽德斯-奔馳的母公司汽車行業(yè)巨頭戴姆勒集團(tuán)，也已經(jīng)在這項新技術(shù)方面開展了投資，意識到量子計算機(jī)未來將會為自己在行業(yè)中的新發(fā)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(yè)變革的潛力，并且致力于擴(kuò)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(jīng)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(shù)將會如何徹底改變自己的業(yè)務(wù)。

制藥公司也正密切關(guān)注著這一領(lǐng)域的發(fā)展，它們意識到量子計算機(jī)模擬復(fù)雜化學(xué)和生物過程的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出數(shù)字計算機(jī)。它們現(xiàn)在所用的專門用于測試數(shù)百萬種藥物的龐大設(shè)備，也許突然有一天會被在網(wǎng)絡(luò)空間當(dāng)中就能完成藥物測試的“虛擬實驗室”所取代。還有一些人擔(dān)心，也許藥劑師這個行業(yè)未來將不復(fù)存在。但藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的博主德里克·洛說：“并不是新機(jī)器會取代藥劑師，而是會使用新機(jī)器的藥劑師將取代不會使用新機(jī)器的同行。”[7]

瑞士日內(nèi)瓦郊外有一座大型強(qiáng)子對撞機(jī)，它是目前世界上最大的科學(xué)機(jī)器，能夠以14萬億電子伏特的能量完成質(zhì)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(xiàn)在也在借助量子計算機(jī)來篩選堆積如山的數(shù)據(jù)。量子計算機(jī)可以在1秒鐘內(nèi)完成大約10億次粒子碰撞產(chǎn)生的多達(dá)1萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)的相關(guān)處理。也許真的有一天，量子計算機(jī)會揭開宇宙誕生的秘密。