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(wàn)倍。

IBM量子計(jì)算機(jī)System One的表面用與名畫(huà)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(guò)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(kāi)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(shuō)：“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>

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(kāi)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(guò)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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(shuō)?！澳憧梢愿斓赜?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。”

從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴的科技巨頭，以及爭(zhēng)奪技術(shù)霸權(quán)的國(guó)家，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。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依靠二進(jìn)制“比特”——打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)，表示為1和0來(lái)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(wèn)題可能在幾秒鐘內(nèi)得到解決。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可以開(kāi)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(wèn)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)，而量子已經(jīng)成為國(guó)家安全的“偏頭痛”。它的超強(qiáng)算力將很快使所有現(xiàn)有的密碼都過(guò)時(shí)，危及通信、金融交易，甚至軍事防御?！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(shuō)。2022年10月，美國(guó)總統(tǒng)喬·拜登參觀了位于紐約州波基普西市的IBM量子數(shù)據(jù)中心，稱量子“對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，對(duì)我們的國(guó)家安全同樣重要”。在這個(gè)大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新時(shí)代，中國(guó)和美國(guó)都在下定決心發(fā)展量子技術(shù)，以免失去重要機(jī)遇?！斑@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(shuō)。Quantinuum是一家位于科羅拉多州的公司，提供商業(yè)量子應(yīng)用。“這類似于互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)始，或者經(jīng)典計(jì)算的開(kāi)始?！?/p>

從20世紀(jì)70年代后期開(kāi)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^(guò)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(guò)計(jì)算進(jìn)行猜測(cè)，再通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)取得突破。而通過(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)，IBM在云計(jì)算和人工智能方面沒(méi)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。“再次回到巔峰真是太好了，”一位高管說(shuō)?！拔覀冞@次沒(méi)有飄在云上讓機(jī)會(huì)溜走?！?/p>

2022年11月，IBM推出了其新的433量子比特Osprey（魚(yú)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(guò)已知宇宙中的原子總數(shù)。IBM在其開(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)4,000量子比特?！澳K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(shuō)，“我們現(xiàn)在已經(jīng)有辦法設(shè)計(jì)出擁有數(shù)萬(wàn)個(gè)量子比特的機(jī)器?！?/p>

量子的工業(yè)用途是無(wú)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(kāi)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(lái)，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(wú)數(shù)決定后，最終測(cè)試即將到來(lái)：一輛原型車以35英里/時(shí)的速度撞上那堵傳說(shuō)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)。

這就是量子可以通過(guò)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(lái)提供幫助的地方。“穩(wěn)健的模擬碰撞測(cè)試可以在整個(gè)過(guò)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(shuō)，他們正在與法國(guó)量子公司Pasqal合作?！傲孔佑?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(kāi)始?，F(xiàn)代商業(yè)充滿了最適合量子算法的優(yōu)化問(wèn)題，可以節(jié)省時(shí)間、精力和資源。“我們不僅僅是在構(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(shuō)。

Sapia說(shuō)找到這項(xiàng)技術(shù)的用途很容易——問(wèn)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?lái)越嚴(yán)格，寶馬已經(jīng)無(wú)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(shuō)：“未來(lái)，我們將依靠世界各地都能獲得量子技術(shù)來(lái)開(kāi)展業(yè)務(wù)。那么如何設(shè)置它，以便無(wú)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？”

在過(guò)去的幾年里，量子已經(jīng)從一個(gè)腳注上升到全球安全議程的首位。迄今為止，已有17個(gè)國(guó)家制定了國(guó)家量子戰(zhàn)略，另有4個(gè)國(guó)家正在制定這些戰(zhàn)略。據(jù)《量子計(jì)算報(bào)告》稱，自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，中國(guó)在量子研究方面的投資估計(jì)高達(dá)250億美元。量子科學(xué)家潘建偉于2016年領(lǐng)導(dǎo)發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星，并于2021年推出了當(dāng)時(shí)創(chuàng)紀(jì)錄的56量子比特量子計(jì)算機(jī)。2021年3月發(fā)布的中國(guó)“十四五”規(guī)劃將掌握量子技術(shù)作為一項(xiàng)政策重點(diǎn)?！霸谥袊?guó)，工業(yè)和國(guó)家安全之間模糊的界限給了他們優(yōu)勢(shì)，”美國(guó)國(guó)防部前首席數(shù)據(jù)官David Spirk說(shuō)。

作為回應(yīng)，白宮于5月發(fā)布了一份國(guó)家安全備忘錄，由于“對(duì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)”，命令美國(guó)所有聯(lián)邦機(jī)構(gòu)過(guò)渡到后量子安全加密協(xié)議。鑒于升級(jí)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施可能需要數(shù)十年的時(shí)間，而且?guī)缀跛羞B接到互聯(lián)網(wǎng)的東西都處于危險(xiǎn)之中，所以現(xiàn)在就應(yīng)該采取行動(dòng)。QuSecure的創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)官Skip Sanzeri說(shuō)：“我們意識(shí)到，雖然量子信息技術(shù)對(duì)人類來(lái)說(shuō)是美好的，但人們要做的第一件事就是將這些系統(tǒng)武器化。”他所說(shuō)的可能是價(jià)值一萬(wàn)億美元的網(wǎng)絡(luò)安全升級(jí)市場(chǎng)。

盡管如此，斯皮克仍擔(dān)心美國(guó)有落后的風(fēng)險(xiǎn)，并呼吁以“類似曼哈頓計(jì)劃”的方式關(guān)注量子。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的數(shù)據(jù)，去年全球在量子領(lǐng)域的支出超過(guò)300億美元，其中中國(guó)約占一半，歐盟約占四分之一。與此同時(shí)，美國(guó)國(guó)家量子計(jì)劃僅花費(fèi)了12億美元。David Spirk稱這個(gè)數(shù)字相對(duì)于1萬(wàn)億美元的總國(guó)防開(kāi)支來(lái)說(shuō)微不足道：“這不是即將到來(lái)的浪潮，它已經(jīng)到來(lái)?！?/p>

如今，幾乎所有網(wǎng)絡(luò)安全——無(wú)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(lái)快速的量子計(jì)算機(jī)只需要幾個(gè)小時(shí)。去年12月，中國(guó)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文，聲稱他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以用372量子比特計(jì)算機(jī)即可破解RSA密碼的量子算法（盡管人們正熱烈辯論其結(jié)論）?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)后量子安全的競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)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(kāi)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^(guò)量子訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)。IBM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)Gil說(shuō)：“如果你不轉(zhuǎn)換成后量子安全加密協(xié)議，就沒(méi)有挽回的余地?！?/p>

烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)也敲響了警鐘。這是歷史上第一次以網(wǎng)絡(luò)攻擊開(kāi)始的沖突，因?yàn)槎砹_斯將重要的通信和基礎(chǔ)設(shè)施作為其軍事攻擊的基礎(chǔ)。公共服務(wù)、能源網(wǎng)絡(luò)、媒體、銀行、企業(yè)和非營(yíng)利組織都遭受了網(wǎng)絡(luò)閃電戰(zhàn)攻擊，影響了藥品、食品和救援物資的分配?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)家安全機(jī)制以決策的速度和精確度為基礎(chǔ)。“如果你的電腦比他們的快，你就贏了，這很簡(jiǎn)單，”Spirk 說(shuō)?！傲孔訉⑹窍乱粋€(gè)飛躍?！?/p>

但此類攻擊只是危害中的一種。隨著美國(guó)卷入新的冷戰(zhàn)，不清楚中國(guó)和俄羅斯是否未來(lái)還會(huì)采用NIST所制定的新加密協(xié)議，尤其是在過(guò)去，據(jù)稱RSA密碼被美國(guó)國(guó)家安全局破解。2022年9 月，美國(guó)國(guó)家安全顧問(wèn)Jake Sullivan表示，量子將“在未來(lái)十年內(nèi)具有極其重要的意義”，并補(bǔ)充說(shuō)，出口管制可用于維持美國(guó)的優(yōu)勢(shì)。隨著華盛頓和北京的相互競(jìng)爭(zhēng)，后量子安全標(biāo)準(zhǔn)有可能將世界分裂成不同的集團(tuán)，對(duì)全球貿(mào)易產(chǎn)生嚴(yán)重影響。Inglis說(shuō)：“我們今天所知道的自由開(kāi)放互聯(lián)網(wǎng)的分裂顯然是可能的?！?/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(lái)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(wèn)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(lái)檢查結(jié)果，但無(wú)法驗(yàn)證的情況很快就會(huì)到來(lái)。信任量子計(jì)算機(jī)需要信念的飛躍。Uttley說(shuō)：“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(lái)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?lái)設(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(shuō)，“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(guò)開(kāi)源其量子計(jì)算機(jī)并歡迎來(lái)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(shuō)，“這是人類的新領(lǐng)域?！?/p>

文：查理·坎貝爾 ( CHARLIE CAMPBELL)

編譯：王珩

編輯：慕一

特此說(shuō)明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。