這樣的設(shè)備可能會幫助解決氣候變化和糧食短缺問題，也可能破壞互聯(lián)網(wǎng)。在這場競賽中，美國和中國誰會先到達(dá)目標(biāo)？

神秘的機(jī)器

在加利福尼亞州圣巴巴拉的郊區(qū)，在果園和大海之間，坐落著一個不起眼的倉庫，它的窗戶是棕色的，外部漆成暗灰色。該設(shè)施幾乎沒有標(biāo)牌，其名稱也沒有出現(xiàn)在谷歌地圖上。門上的小標(biāo)簽上寫著“Google Quantum AI”。在這個倉庫里，一種全新的計算機(jī)正在從頭開始改造。

9月，實驗室創(chuàng)始人Hartmut Neven帶記者參觀了一圈。Neven來自德國，現(xiàn)年57歲，已經(jīng)禿頂，屬于現(xiàn)代商務(wù)人士與神秘主義者的混合體。他談到了量子的未來，融合了科學(xué)的精確性和迷幻的歡樂。他穿著一件皮夾克，一件寬松的亞麻襯衫，上面裝飾著紐扣，一條牛仔褲，腿上有拉鏈口袋，腳上是一雙看起來像太空靴的魔術(shù)貼式運動鞋?！罢缥业膱F(tuán)隊所知，我從不錯過任何一個火人節(jié)?！彼f。

在倉庫地板的中間，金屬腳手架上懸掛著一個大小和形狀都類似舞廳吊燈的設(shè)備。電纜束從頂部通過一系列鍍金盤子蜿蜒而下，到達(dá)下面的處理器。這個名為Sycamore（懸鈴木）的處理器是一個長方形的小片，上面布滿了幾十個端口。Sycamore利用一些最奇怪的物理學(xué)特性來執(zhí)行違背所有人類直覺的數(shù)學(xué)運算。一旦連接好，整個裝置就會被放置在一個圓柱形冰箱內(nèi)并冷卻一天以上。該處理器依賴于超導(dǎo)性，這意味著在超低溫下，它的電阻幾乎消失了。當(dāng)處理器周圍的溫度達(dá)到低于外太空最深處的溫度時，計算就可以開始了。

經(jīng)典計算機(jī)使用比特表達(dá)信息，取值為0和1。量子計算機(jī)——就像谷歌正在建造的那樣，使用量子比特，它既可以取0或1的值，同時也可以是0和1的復(fù)雜組合。因此，量子比特比經(jīng)典比特更強(qiáng)大，能夠執(zhí)行經(jīng)典比特?zé)o法執(zhí)行的計算。但也正是由于這種底層的變化，一切都必須重新開發(fā)：硬件、軟件、編程語言，甚至程序員解決問題的方法。

在我訪問的那天，一位技術(shù)人員——谷歌稱之為“量子機(jī)械師”——正在使用一系列小型機(jī)床在計算機(jī)上工作。每個量子比特都由專用電線控制，技術(shù)人員站在凳子上，用手連接著線纜。

面前的量子計算機(jī)是多年研究和數(shù)億美元投資的結(jié)晶。但它也幾乎沒有發(fā)揮作用。今天的量子計算機(jī)還太“嘈雜”，這意味著它們幾乎在所有計算嘗試中都會失敗。然而，建造它們的競賽吸引了地球上一批最頂級的天才：英特爾、IBM、微軟和亞馬遜也在構(gòu)建量子計算機(jī)。其他國家政府也是如此。這一競賽的獲勝者將生產(chǎn)硅基芯片的繼任者——眾所周知，硅微芯片是促成信息革命的基礎(chǔ)設(shè)備。

密碼的顛覆

一臺完全體的量子計算機(jī)可以破解我們當(dāng)前的加密協(xié)議，從根本上破壞互聯(lián)網(wǎng)。大多數(shù)在線通信，包括金融交易和流行的短信平臺，都受到加密密鑰的保護(hù)，使用經(jīng)典計算機(jī)需要數(shù)百萬年才能破譯這些密鑰，而量子計算機(jī)大概可以在不到一天的時間內(nèi)破解一個。這僅僅是個開始。

量子計算機(jī)可以開辟數(shù)學(xué)的新領(lǐng)域，徹底改變我們對“計算”的理解。它的處理能力可以刺激新工業(yè)化學(xué)品的發(fā)展，解決氣候變化和糧食短缺的問題。它還可以調(diào)和阿爾伯特·愛因斯坦優(yōu)雅的相對論與不守規(guī)矩的微觀世界的量子力學(xué)，從而使發(fā)現(xiàn)空間和時間本質(zhì)成為可能?！傲孔佑嬎愕挠绊憣⒈绕駷橹沟娜魏渭夹g(shù)都更為深遠(yuǎn)，”初創(chuàng)公司PsiQuantum的首席執(zhí)行官Jeremy O'Brien曾表示。不過，工程師必須首先讓它工作起來。

想象一下，將兩顆鵝卵石扔進(jìn)平靜的湖中。當(dāng)石頭撞擊水面時，它們會產(chǎn)生同心波紋，這些波紋相互作用會產(chǎn)生復(fù)雜的干涉圖案。二十世紀(jì)初，研究電子行為的物理學(xué)家在亞原子世界中發(fā)現(xiàn)了類似的波狀干涉模式。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了物理學(xué)的危機(jī)，因為在其他條件下，這些相同的電子表現(xiàn)得更像空間中的單個點，稱為粒子。很快，當(dāng)許多人認(rèn)為這是有史以來最離奇的科學(xué)結(jié)果時，物理學(xué)家意識到，電子的行為是更像粒子還是更像波，取決于是否有人在觀察它。量子力學(xué)領(lǐng)域誕生了。

在接下來的幾十年里，發(fā)明家利用量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)來構(gòu)建各種技術(shù)，包括激光和晶體管。二十世紀(jì)八十年代初期，物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）提議建造一臺“量子計算機(jī)”，以獲得用常規(guī)方法無法計算的結(jié)果。當(dāng)時的計算機(jī)科學(xué)界對此反應(yīng)平淡，早期的量子計算研究人員甚至很難在學(xué)術(shù)會議上獲得名額。這種設(shè)備的潛力性直到1994年才得到揭示，當(dāng)時在新澤西州貝爾實驗室工作的數(shù)學(xué)家Peter Shor證明，量子計算機(jī)可以幫助破解一些最廣泛使用的加密標(biāo)準(zhǔn)。甚至在Shor公布他的結(jié)果之前，國家安全局的一位有關(guān)代表就找到了他。

Shor現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)委員會的主席，記者8月份去那里拜訪過他。他狹窄的辦公室被一塊橫跨一面墻的大黑板占據(jù)了主要空間，他的辦公桌和桌子上堆滿了草稿紙。角落里放著紙板箱，里面裝滿了Shor潦草的手工藝品。其中一個盒子來自于十一年前就倒閉的書商Borders。

Shor戴著橢圓形眼鏡，肚子圓滾滾的，頭發(fā)又白又絨，胡須蓬亂。我見到他的那天，他正在黑板上畫六邊形，一只鞋的鞋帶還沒有系好。“他看起來就像會發(fā)明算法的人，”在他的一個講座視頻中評論道。

算法是一組用于計算的指令。做長除法的孩子就是在遵循一種算法；模擬宇宙演化的超級計算機(jī)也是如此。將算法作為數(shù)學(xué)對象的正式研究始于20世紀(jì)，Shor的研究表明我們還有很多不了解的地方。實驗物理學(xué)家Michel Devoret說：“在算法方面，我們可能處于羅馬人對數(shù)字的認(rèn)知水平?！?他將Shor的工作比作18世紀(jì)虛數(shù)的突破。

Shor對算法很著迷?！拔以谏钜估铩⒘茉r，無處不在想著它們，偶有靈感，我就在一張紙上潦草地寫下了有趣的符號?！?有時當(dāng)一個問題特別耗費心思時，Shor注意不到其他人正在跟他說話。“這對外人來說可能非常煩人，除了我的妻子。她已經(jīng)習(xí)慣了?！?

谷歌的Neven回憶起與Shor漫步在劍橋鎮(zhèn)的情景，當(dāng)時他正在闡述他的最新研究。Neven說：“他就這么橫穿了四條車道。”Shor說他的兩個女兒都被診斷出患有自閉癥，他自己也有一些這樣的特征。

Shor最著名的算法建議使用量子比特將非常大的數(shù)字“分解”成更小的質(zhì)因數(shù)乘積。記者請他解釋這一算法是如何工作的，然后他從黑板上擦掉了六邊形。Shor說，因式分解的關(guān)鍵是識別質(zhì)數(shù)。1到100之間有25個質(zhì)數(shù)，但隨著數(shù)字的增長，質(zhì)數(shù)變得越來越少。Shor在黑板上畫了一系列緊湊的公式，解釋某些數(shù)字序列沿數(shù)字軸周期性重復(fù)。然而，這些重復(fù)之間的距離呈指數(shù)增長，使得它們難以用經(jīng)典計算機(jī)計算。

Shor說：“這是我發(fā)現(xiàn)的核心，你知道什么是衍射光柵嗎？”?他開始畫一個簡單的草圖，描繪一束光撞擊濾光片然后衍射成彩虹的顏色，他用彩色粉筆描繪了彩虹的顏色?！懊糠N顏色的光都有一個波長，我們正在做類似的事情。這東西實際上是一個計算衍射光柵，所以我們正在整理不同的周期?！盨hor說。?黑板上的每種顏色代表一組不同的數(shù)字。一臺經(jīng)典計算機(jī)在查看這些分組時，必須一個一個分析。但是一臺量子計算機(jī)可以一次處理整個彩虹。

挑戰(zhàn)在于用物理硬件實現(xiàn)Shor的理論工作。2001年，IBM的實驗物理學(xué)家試圖通過向懸浮在液體中的分子發(fā)射電磁脈沖來實施該算法。Shor說：“那臺機(jī)器大約花費了50萬美元，最后它告訴我們十五等于五乘以三。”?經(jīng)典計算的比特相對容易構(gòu)建——想想一個電燈開關(guān)，它可以“打開”或“關(guān)閉”。量子計算的量子比特需要像一個刻度盤之類的東西，或者更準(zhǔn)確地說，需要多個刻度盤，每個刻度盤都必須調(diào)諧到特定的振幅。在亞原子尺度上實施這種精確控制仍然是一個棘手的問題。

盡管如此，為了迎接網(wǎng)絡(luò)安全專家稱之為Y2Q（量子可破解密碼）的那一天，現(xiàn)有的保護(hù)短信、電子郵件、醫(yī)療記錄和金融交易的協(xié)議必須被拆除和替換。今年早些時候，拜登政府宣布，它正在朝著新的抗量子加密標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)，以提供對Shor算法的保護(hù)。實施這些標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計需要十多年時間，耗資數(shù)百億美元，這為網(wǎng)絡(luò)安全專家創(chuàng)造了財富。“這與Y2K（千年蟲）之間的區(qū)別在于我們知道Y2K發(fā)生的實際日期，”密碼學(xué)家Bruce Schneier表示。

在Y2Q的預(yù)期中，眾多數(shù)據(jù)破解機(jī)構(gòu)正在儲存加密的互聯(lián)網(wǎng)流量，希望在不久的將來讀取它。負(fù)責(zé)美國后量子加密標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)家Dustin Moody說：“我們看到我們的對手這樣做：復(fù)制我們的加密數(shù)據(jù)并保留它，這絕對是一個真正的威脅?！?

當(dāng)我問他美國政府是否也在做同樣的事情時，Moody說他不知道。在幾年內(nèi)，這個時代的大部分通信可能都會被曝光。拜登政府對密碼學(xué)升級的最后期限設(shè)在2035年，而能夠運行Shor算法簡單版本的早期量子計算機(jī)最早可能在2029年出現(xiàn)。

費解的糾纏

量子計算研究的根源是一個被稱為“量子糾纏”的科學(xué)概念。糾纏之于計算的影響，就像核裂變對爆炸物的影響一樣：都是由于亞原子世界的一種奇怪特性，可以用來創(chuàng)造前所未有的強(qiáng)大技術(shù)。如果糾纏可以在日常物體的尺度上發(fā)生，那看起來就像是一個魔術(shù)。想象一下，你和一個朋友翻轉(zhuǎn)了兩個糾纏在一起的硬幣，卻沒有看結(jié)果。只有當(dāng)你偷看硬幣時，才能確定拋硬幣的結(jié)果。如果您檢查您的硬幣，發(fā)現(xiàn)它是正面的，那么您朋友的硬幣將自動變成反面。如果您的朋友偷看到她的硬幣是正面，那么您的硬幣將自動變成反面。無論您和您的朋友相距多遠(yuǎn)，這個規(guī)則都適用。

如果你覺得上述糾纏的解釋令人困惑，那么你并不孤單：科學(xué)界也需要花了大半個世紀(jì)的時間才開始理解它。就像物理學(xué)中的許多概念一樣，糾纏最早是在愛因斯坦的思想實驗中描述的。量子力學(xué)規(guī)定，粒子的性質(zhì)只有在被測量后才會“坍縮”為固定值。在此之前，一個粒子同時存在于多個狀態(tài)的“疊加”中，用概率來描述。

最著名的一個思想實驗，由物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出：想象一只貓被困在一個盒子里，盒子里裝有一瓶可以被衰變粒子激活的毒藥，由于粒子處于衰變與未衰變的疊加之中，因此這只貓?zhí)幱谏c死之間的疊加狀態(tài)。這讓愛因斯坦感到不安，他晚年對接替他的那一代人的“新物理學(xué)”提出異議。

1935年，愛因斯坦與物理學(xué)家鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）合作（他們?nèi)撕戏QEPR），揭示了量子力學(xué)中一個明顯的悖論：按照量子力學(xué)的假設(shè)，有可能創(chuàng)造出兩個糾纏的粒子，它們相距任意距離，它們之間的相互作用速度可能超越了光速。愛因斯坦和他的同事寫道：“不可能期望任何合理的現(xiàn)實允許這樣做?！?

然而在隨后的幾十年里，量子力學(xué)的其他預(yù)言在實驗中被反復(fù)驗證，愛因斯坦這一EPR悖論被忽略了。“因為他的觀點違背了那個時代的普遍認(rèn)知，當(dāng)時大多數(shù)物理學(xué)家將愛因斯坦對量子力學(xué)的敵意視為衰老的標(biāo)志?！笨茖W(xué)史學(xué)家Thomas Ryckman寫道。

二十世紀(jì)中期的物理學(xué)家們專注于粒子加速器和核彈頭，糾纏很少受到關(guān)注。六十年代初期，北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）獨自將愛因斯坦的思想實驗重新表述為長達(dá)五頁的數(shù)學(xué)論證。1964年，Bell在名不見經(jīng)傳的期刊Physics Physique Fizika上發(fā)表了他的研究結(jié)果。在接下來的四年里，他的論文沒有被引用過一次。

1967年，哥倫比亞大學(xué)的研究生約翰·克勞瑟（John Clauser）在圖書館翻閱該期刊的合訂本時偶然發(fā)現(xiàn)了Bell的論文。Clauser一直在努力學(xué)習(xí)量子力學(xué)，在獲得可接受的成績之前參加了三門課程?！爱?dāng)時我確信量子力學(xué)一定是錯的，”他后來說。

Bell的論文為Clauser提供了一種檢驗他的反對意見的方法。他不顧包括理查德·費曼在內(nèi)的教授們的建議，決定通過進(jìn)行一項實驗去證明量子力學(xué)理論是不完備的，從而為愛因斯坦辯護(hù)。1969年，Clauser寫信給Bell告知他自己的想法。Bell高興地回應(yīng)了——以前沒有人寫信給他跟他討論他的定理。

Clauser搬到了美國加利福尼亞州的勞倫斯伯克利國家實驗室，在那里，他幾乎沒有預(yù)算，但還是創(chuàng)造了世界上第一個人工糾纏的光子對。當(dāng)光子相距大約十英尺時，他測量了它們。測量一個光子的屬性會立即在另一個光子中產(chǎn)生相反的結(jié)果。Clauser和他的合著者斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）于1972年發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。從Clauser的角度來看，這個實驗令人失望：他最終證明了愛因斯坦是錯誤的。

最終，Clauser非常不情愿地接受了量子力學(xué)令人費解的規(guī)則實際上是有效的，而愛因斯坦認(rèn)為對人類直覺的荒謬侮辱只是宇宙運行的方式?！拔页姓J(rèn)直到今天我仍然不懂量子力學(xué)，”Clauser在2002年說。但Clauser還證明了糾纏粒子不僅僅是一個思想實驗。它們是真實的，甚至比愛因斯坦想象的還要奇怪。

他們的怪異引起了斯坦福大學(xué)博士物理學(xué)家尼克·赫伯特（Nick Herbert）的注意，其研究興趣包括心靈感應(yīng)和與來世的交流。Clauser向Herbert展示了他的實驗，Herbert提出了一種機(jī)器，該機(jī)器試圖使用糾纏以比光速更快的速度進(jìn)行通信，從而使用戶能夠穿越時空發(fā)送消息。Herbert的時間機(jī)器藍(lán)圖最終被認(rèn)為是不可行的，但它迫使物理學(xué)家開始認(rèn)真對待糾纏?！癏erbert的錯誤論文是產(chǎn)生巨大進(jìn)步的火花，”物理學(xué)家Asher Peres在2003年回憶道。

最終，愛因斯坦的EPR悖論的解決方案并不是粒子可以比光速更快地發(fā)出信號；相反，一旦糾纏在一起，它們就不再是不同的物體，而是作為一個系統(tǒng)同時存在于宇宙的兩個部分中。（這種現(xiàn)象稱為非局域性。）自八十年代以來，對糾纏的研究導(dǎo)致理論和實驗物理學(xué)不斷取得突破。

今年10月，Clauser因其工作分享了諾貝爾物理學(xué)獎。在一份新聞稿中，諾貝爾委員會將糾纏描述為“量子力學(xué)最強(qiáng)大的特性”。可惜Bell沒有活著看到這一切，他于1990年去世，到今天，他1964年的那篇論文已被引用一萬七千次。

脆弱的量子

在位于圣巴巴拉的谷歌實驗室中，目標(biāo)是同時糾纏多個量子比特。想象一下，需要將數(shù)百個硬幣排列成一個網(wǎng)絡(luò)，并以編排的順序操縱這些硬幣，最終產(chǎn)生驚人的數(shù)學(xué)效果。一個例子是Grover算法，它是由Shor在90年代貝爾實驗室的同事Lov Grover開發(fā)的。

“Grover的算法是關(guān)于非結(jié)構(gòu)化搜索的，這對谷歌來說是一個很好的例子，”該實驗室的創(chuàng)始人Neven說?！拔蚁矚g把它想象成一個擁有一百萬個抽屜的大衣櫥。其中一個抽屜里放著一個網(wǎng)球。有個人在壁櫥里翻來翻去，平均來說，他會在打開50萬個抽屜后找到球。雖然這聽起來很神奇，但Grover的算法只需一千步就可以完成，”Neven說。

Neven的職業(yè)生涯遍及四方。他原本主修經(jīng)濟(jì)學(xué)，但在參加弦理論講座后轉(zhuǎn)學(xué)物理。他獲得了博士學(xué)位。他專注于神經(jīng)計算，并被聘為南加州大學(xué)教授。在南加州大學(xué)期間，他的研究團(tuán)隊贏得了由美國國防部主辦的面部識別競賽。此后他創(chuàng)辦了一家名為Neven Vision的公司，該公司開發(fā)了用于社交媒體面部過濾器的技術(shù)；2006年，他以4000萬美元的價格將公司賣給了谷歌。在谷歌，他起初從事圖像搜索和谷歌眼鏡的工作，在公共電臺聽到有關(guān)量子計算的故事后轉(zhuǎn)向量子計算。他告訴我，他的最終目標(biāo)是通過將量子計算機(jī)連接到某人的大腦來探索意識的起源。

Neven對面部分析技術(shù)的貢獻(xiàn)廣受贊譽，如果你曾經(jīng)在Snapchat上用過將自己變成一只狗的卡通動畫形象，你要感謝他。（你也可以感謝他對這項技術(shù)的更多反烏托邦應(yīng)用。）但是，在過去的幾年里，在世界領(lǐng)先的科學(xué)期刊上發(fā)表的研究論文中，他和他的團(tuán)隊也揭開了一系列小而奇特的奇跡：聚集成團(tuán)的光子；全同的粒子，其性質(zhì)會根據(jù)排列的順序而改變；一種被稱為“時間晶體”的永遠(yuǎn)變化的物質(zhì)的奇異狀態(tài)。

“實際上我們有個清單，上面有很多這樣的事物，每一個都和下一個一樣科幻，”Neven告訴記者：“由物理學(xué)家Maria Spiropulu領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊使用谷歌的量子計算機(jī)模擬了一個‘全息蟲洞’，這是一條穿越時空的概念捷徑。這一成就最近剛剛成為Nature期刊的封面?！?/p>

谷歌在量子計算方面發(fā)表的科學(xué)成果也會受到其他研究人員的審查。Nature期刊的一位作者稱他們的蟲洞是“你能想象到的最小、最破舊的蟲洞”。Spiropulu對此表示同意：“它真的非常破舊。”而德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校專門研究量子計算的教授Scott Aaronson表示：“你必須瞇著眼睛，量子計算也不會很快取代經(jīng)典方法。”

“目前量子計算機(jī)的計算能力很差，”谷歌研究科學(xué)家Marissa Giustina說?！拔覀冎荒軘?shù)到四?！盙iustina是世界領(lǐng)先的糾纏專家之一。2015年，在奧地利教授Anton Zeilinger的實驗室工作期間，正是Giustina完成了升級版的Clauser1972年實驗。

2022年10月，Zeilinger也被提名為諾貝爾獎獲得者。“在那之后，我收到了一堆郵件，說恭喜你的老板獲得諾貝爾獎?！盙iustina說。談到現(xiàn)有的量子計算機(jī)——一臺可能很快就會模擬復(fù)雜分子但目前還不能進(jìn)行基本算術(shù)運算的機(jī)器，她有些沮喪，“這與我們?nèi)粘Ｉ钪械慕?jīng)歷背道而馳。這就是它如此煩人的地方，但又如此美麗?！?/p>

谷歌糾纏量子比特的主要問題是它們還不能“容錯”。Sycamore處理器平均每1000步就會出錯。但是一個典型的計算實驗需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1000步，因此，為了獲得有意義的結(jié)果，研究人員必須將同一個程序運行數(shù)萬次，然后使用信號處理技術(shù)從海量數(shù)據(jù)中提煉出少量有價值的信息。如果程序員可以在處理器運行時測量量子比特的狀態(tài)，這種情況可能會有所改善，但測量處于疊加態(tài)的量子比特，會迫使它坍縮成一個固定值，從而導(dǎo)致后面計算失敗。

此外，這種“測量”不需要有意識的觀察者進(jìn)行：與環(huán)境的任何交互都會導(dǎo)致相同的崩潰，（如震動、光照、電磁輻射、分子熱運動等）?！八仨氉兊冒察o，寒冷，量子比特存在于暗處是量子計算規(guī)?；囊粋€基本需求?！盙iustina說。谷歌的處理器有時會在遇到來自太陽系外的太空輻射時就發(fā)生故障。

其他的路線

在量子計算的早期，研究人員擔(dān)心測量問題很棘手，但1995年P(guān)eter Shor表明糾纏也可以用來糾正錯誤，從而改善硬件的高故障率。Shor的研究引起了當(dāng)時在莫斯科工作的理論物理學(xué)家Alexei Kitaev的注意。

1997年，Kitaev使用“拓?fù)洹绷孔蛹m錯方案改進(jìn)了Shor碼。加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家John Preskill在談到現(xiàn)在是該校教授的Kitaev時，帶著幾近敬畏的神情?！八浅Ｓ袆?chuàng)造力，而且他在技術(shù)上非常有深度，”Preskill說?！八俏艺J(rèn)識的少數(shù)幾個我可以毫不猶豫地稱其為天才的人?！?/p>

我在加州理工學(xué)院寬敞的辦公室里見到了Kitaev，那間辦公室?guī)缀蹩諢o一人。他穿著跑鞋。Kitaev告訴我，在花了一天時間思考粒子之后，他會步行大約一個小時來理清思緒。在艱難的日子里，他可能會走更長的時間。加州理工學(xué)院以北幾英里處坐落著威爾遜山，在19世紀(jì)20年代，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）在那里使用當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡推斷出宇宙正在膨脹。“我可能去過威爾遜山一百次了?！盞itaev說。當(dāng)遇到真正棘手的問題時，基塔耶夫會跳過威爾遜山，去附近的巴爾迪山徒步旅行，這座海拔超過3000米的山峰經(jīng)常被白雪覆蓋。

量子計算就是一個棘手到要徒步巴爾迪山的問題。“我在1998年做出預(yù)測，實用的量子計算將在30年內(nèi)實現(xiàn)，”Kitaev說?！拔也淮_定我們會成功?！?目前Kitaev的糾錯方案是構(gòu)建功能性量子計算機(jī)最有前途的方法之一，并且在2012年，他因其工作獲得了突破獎（Breakthrough Prize），這是世界上獎金額最高的科學(xué)獎之一。后來谷歌聘請他為顧問。但是到目前為止，還沒有人設(shè)法實現(xiàn)他的想法。

Preskill和Kitaev一起教授加州理工學(xué)院的量子計算入門課程，他們的教室里擠滿了學(xué)生。但是，在2021年，亞馬遜宣布將在加州理工學(xué)院校園內(nèi)開設(shè)一個大型量子計算實驗室。Preskill現(xiàn)在是亞馬遜學(xué)者，而Kitaev留在了谷歌。這兩位過去辦公室相鄰的物理學(xué)家，如今在不同的建筑物中工作。盡管他們?nèi)匀槐３趾献麝P(guān)系，但筆者覺得有些研究課題他們不能再討論了。

2020年初，輝瑞公司的科學(xué)家開始研發(fā)數(shù)百種用于治療新冠疾病的實驗藥物。同年7月，他們合成了7毫克標(biāo)記為PF-07321332的研究化學(xué)品，這是該公司當(dāng)周生產(chǎn)的20種配方中的一種。直到9月，PF-07321332一直是實驗室冰箱中的一個匿名小瓶，當(dāng)時實驗表明它能有效抑制大鼠的新冠肺炎。該化學(xué)物質(zhì)隨后與另一種物質(zhì)合在一起，并更名為Paxlovid，輝瑞聲稱這種復(fù)方藥物可以將新冠相關(guān)的住院率降低大約90%。

Paxlovid被視為救命稻草，但在量子計算機(jī)的幫助下，可能會縮短藥物開發(fā)中艱苦試驗和不斷試錯的過程。量子初創(chuàng)公司PsiQuantum的董事會成員、風(fēng)險投資家Peter Barrett說：“我們以前只是在可以直接設(shè)計的化合物中猜測哪個有用。對于我們文明完全依賴的東西，我們主要靠猜——但這絕不是最佳選擇?！?/p>

容錯量子計算機(jī)應(yīng)該能以前所未有的精度模擬化學(xué)品的分子行為，指導(dǎo)科學(xué)家更快地獲得結(jié)果。2019年，研究人員預(yù)測，僅需1000個容錯量子比特，就可以首次準(zhǔn)確地模擬一種稱為Haber-Bosch過程的氨化肥生產(chǎn)工藝，對該生產(chǎn)工藝的改進(jìn)將導(dǎo)致二氧化碳排放量的大幅減少。

鋰是電動汽車電池的主要成分，是一種原子序數(shù)為三的簡單元素。即使是原始的容錯量子計算機(jī)，也可能會揭示如何擴(kuò)展其存儲能量的能力，從而增加車輛的行駛里程。量子計算機(jī)還可用于開發(fā)可生物降解塑料或無碳航空燃料。咨詢公司麥肯錫建議了另一種用途：“模擬表面活性劑以開發(fā)更好的地毯清潔劑”?！拔覀冇谐浞值睦碛上嘈帕孔佑嬎銠C(jī)能夠有效地模擬自然界中發(fā)生的任何過程?！盤reskill幾年前寫道。

我們生活的世界是宏觀尺度的，這是普通動力學(xué)的世界：臺球、火箭、飛船。而亞原子粒子的世界是量子尺度，這是一個充滿奇異效果的世界：干擾、不確定性和糾纏。在這兩個世界的邊界處是科學(xué)家所說的“納米級”尺度，即分子世界。在大多數(shù)情況下，分子的行為就像臺球，但如果你放大得足夠近，你就會開始注意到量子效應(yīng)。正是在納米尺度上，研究人員期望量子計算能夠解決其在藥物和材料設(shè)計方面的第一個有意義的問題，也許只需要幾百個容錯量子比特。正是在量子分子化學(xué)這門學(xué)科中，分析師們預(yù)計量子計算領(lǐng)域的第一筆真正的產(chǎn)出將會出現(xiàn)。量子物理學(xué)贏得了今年的諾貝爾獎，而量子化學(xué)將為企業(yè)贏得支票。

相關(guān)專利可能帶來的意外收獲令投資者興奮不已。除了科技巨頭之外，許多初創(chuàng)公司也在嘗試構(gòu)建量子計算機(jī)。量子行業(yè)網(wǎng)站Quantum Insider統(tǒng)計到該行業(yè)已有600多家公司，另一項估計表明全球已投資300億美元用于開發(fā)量子技術(shù)，其中許多業(yè)務(wù)都是投機(jī)性的。

總部位于馬里蘭州大學(xué)的IonQ去年上市，盡管幾乎沒有銷售額。那里的研究人員使用“離子阱”方法獲得的量子比特進(jìn)行計算：將稀土元素鐿的原子排列成整齊的行，然后用激光操縱它們。IonQ的首席技術(shù)官Jungsang Kim告訴我，他的離子阱比谷歌的處理器更能保持糾纏，但他承認(rèn)，隨著添加更多的量子比特，激光控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜?！案倪M(jìn)控制器，這是我們的癥結(jié)所在。”他說。

位于帕洛阿爾托的PsiQuantum，工程師們正在利用光子制造量子比特?！斑@種方法的優(yōu)勢在于我們可以使用現(xiàn)有的硅制造技術(shù)，”該公司首席科學(xué)官Pete Shadbolt說，“此外，我們可以在更高的溫度下運行?！?PsiQuantum已經(jīng)籌集了50億美元。

還有一些其他更奇怪的方法。微軟以Kitaev的工作為基礎(chǔ)，正試圖構(gòu)建一個“拓?fù)洹绷孔颖忍兀@需要合成一個難以捉摸的粒子才能工作。英特爾正在嘗試“硅自旋”方法，將量子比特嵌入半導(dǎo)體。這些競爭引發(fā)了人才競購戰(zhàn)?！叭绻銚碛辛孔游锢韺W(xué)的高級學(xué)位，你就可以進(jìn)入就業(yè)市場并在三周內(nèi)獲得五份錄取通知書，”Jungsang Kim說。

即使是最樂觀的分析師也認(rèn)為量子計算在未來五年內(nèi)不會獲得可觀的利潤，而悲觀者警告說這可能需要十多年的時間。看起來很可能會開發(fā)出許多沒有耐用用途的昂貴設(shè)備?！澳阕咴诠韫壬骄俺怯嬎銠C(jī)歷史博物館的大廳里，你會看到一條水銀延遲線，”Shadbolt說，那是1940年代使用聲波存儲信息的過時裝置?！拔页３Ｏ肫疬^去那些建造它的人?！?/p>

即使是內(nèi)部人士，也很難確定目前哪種方法處于領(lǐng)先地位。“'Pivot'（轉(zhuǎn)向）是硅谷中瀕死體驗的代名詞，”Neven說?！暗绻幸惶煳覀兛吹匠瑢?dǎo)量子比特被其他一些技術(shù)所擊敗，比如光子學(xué)，我會立刻轉(zhuǎn)向?！?Neven似乎真的因為競爭變化而松了一口氣。他的實驗室很昂貴，而量子計算是那種在低利率時代才能蓬勃發(fā)展的“登月項目”。（意思是他們實驗室在此前的低利率時代獲得了投資，而今年以來隨著美聯(lián)儲的不斷加息，很難再獲得如此昂貴的投資。譯者注）

“由于目前的經(jīng)濟(jì)形勢，我們這個領(lǐng)域的初創(chuàng)公司更難找到投資者，”耶魯大學(xué)實驗物理學(xué)家Devoret說。但是只要亞馬遜投資于量子計算，谷歌也將繼續(xù)為此提供資金。此外還有來自美國國家的支持——無論市場波動如何，情報機(jī)構(gòu)都將量子解密列為優(yōu)先事項。事實上，Neven最激烈的競爭不是來自私營部門，而是來自中國。谷歌前量子計算負(fù)責(zé)人John Martinis說，“可以說在制造高質(zhì)量量子比特方面，中國人處于領(lǐng)先地位?！?/p>

中國的努力

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的校園里，四種相互競爭的量子計算技術(shù)正在并行開發(fā)。在《科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇論文中，2020年，由潘建偉院士和陸朝陽領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊宣布，他們的處理器解決計算任務(wù)的速度比最好的超級計算機(jī)還要快數(shù)百萬倍。潘建偉是量子糾纏領(lǐng)域最大膽的研究者之一。2017年，他的團(tuán)隊在西藏的一個天文臺進(jìn)行了一項實驗，將兩個光子糾纏在一起，并將其中一個傳輸?shù)杰壍佬l(wèi)星。然后，科學(xué)家們使用“量子隱形傳態(tài)”技術(shù)將地球上第三個光子的屬性轉(zhuǎn)移到太空中的第三個光子。

陸朝陽在今年早些時候通過視頻接受了采訪。他加入電話會議很晚，渾身是汗，剛做完核酸回來。陸朝陽在采訪中反駁了競爭對手的說法。一個被廣泛報道的數(shù)字稱，中國已投資150億美元開發(fā)量子計算機(jī)。“我不知道這個數(shù)字是怎么來的，”陸朝陽說?！皩嶋H的錢可能不到其中的百分之二十五?！?/p>

陸朝陽的“九章二號”光量子計算機(jī)無疑是世界上最快的量子計算機(jī)之一，但陸朝陽一再指責(zé)媒體夸大了這項技術(shù)。在通話中他調(diào)出一段視頻，內(nèi)容是一位女士試圖將10只小貓排成一排，一只小貓跑到后面，女人跑過去抓住它。當(dāng)女士放回第一只小貓時，其他幾只小貓又逃走了?！斑@就是我們面臨的問題，”他說。“想要高精度地控制多個量子比特，但同時它們應(yīng)該與環(huán)境隔離得很好。”

陸朝陽說，量子計算機(jī)還面臨來自普通硅芯片的激烈競爭。最早的電子計算機(jī)，從四十年代開始，只能擊敗人類。量子計算機(jī)必須證明其優(yōu)于每秒可運行100萬萬億次計算的超級計算機(jī)?！拔覀兛吹胶苌儆辛孔铀惴梢宰C明指數(shù)加速的效果，在很多情況下，并不清楚使用普通電腦是否更好?！?陸朝陽還反駁了Martinis關(guān)于中國正在制造最好的量子比特的說法。“實際上我認(rèn)為谷歌處于領(lǐng)先地位，”他說。

Neven對此表示贊同：“明年的某個時候，我認(rèn)為我們將制造出第一個完全容錯的量子比特，”從那里開始，谷歌計劃通過將處理器鏈接在一起來擴(kuò)大其計算規(guī)模。與記者參觀的倉庫相鄰的是第二個更大的空間，陽光從那里灑進(jìn)塵土飛揚的建筑工地。在那里，谷歌計劃建造一臺和車庫一樣大的稀釋制冷機(jī)。

計劃中，一千個容錯量子比特應(yīng)該足以運行準(zhǔn)確的分子化學(xué)模擬。一萬個容錯量子比特可以開始解鎖粒子物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。從那里開始研究人員可以開始全功率運行Shor的算法，揭露我們這個時代的秘密?！拔液芸赡軙谒l(fā)生之前死去，”63歲的Shor告訴我?！暗艺娴暮芟肟吹剿l(fā)生，我認(rèn)為我也很有可能活到足夠長的時間看到它?！?

編譯：王珩

編輯：慕一