《時代》雜志最新一期發(fā)表封面文章《量子飛躍》?｜?圖片來源：TIME
建造世界上最強大計算機的秘密之一可能就在你的浴室水槽旁。
在位于紐約州韋斯切斯特（Westchester）縣的IBM托馬斯·J·沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center），科學家們總是隨身攜帶一盒牙線，以防他們需要修補油桶大小的量子計算機，最新的量子計算機可以完成某些任務，其速度是你的筆記本電腦的數(shù)百萬倍。
在IBM「系統(tǒng)一號（System One）」閃閃發(fā)光的鋁罐里，有3個周長逐漸減少的圓柱體，就像一組俄羅斯套娃一樣，被類似《蒙娜麗莎》的保護玻璃一樣的玻璃所包圍。這3個圓柱體共同包裹著一盞「吊燈」，「吊燈」中的銀線通過厚重的金板層層疊疊地連接到底座的量子芯片。為了正常工作，這個芯片需要冷卻到0.015開爾文——比絕對零度高一點點，比外太空還冷。大多數(shù)材料在如此劇烈的冷卻下都會收縮或變脆并斷裂。但事實證明，如果你需要固定不聽話的線，普通的牙線可以很好地保持其完整性。
量子計算機內的「吊燈」被設計用來將其芯片冷卻到比外太空更低的溫度 ｜ 圖片來源：TIME
「但只有未打蠟、無味的那種才行。」IBM負責量子業(yè)務的副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）說，「否則，釋放的蒸汽會把一切都搞亂。」
量子對數(shù)據(jù)堆的獨特分析能力，已經(jīng)在優(yōu)化數(shù)以千計油輪穿越全球的路線，幫助決定哪些ICU病人需要最緊急的護理，并在原子水平上模仿化學過程，以更好地設計新材料。它還有望增強人工智能，有能力更好地訓練算法，最終將無人駕駛汽車和無人機車隊變成現(xiàn)實。美國國家網(wǎng)絡總監(jiān)克里斯·英格利斯（Chris Inglis）告訴《時代》，量子人工智能模擬表現(xiàn)出的「有效和高效程度令人難以置信」。
量子的最早采用者是資產管理公司，因為納入量子計算幾乎不需要增加管理費用，但商業(yè)用途也離我們不遠了。西班牙公司Multiverse Computing已經(jīng)與巴斯夫和博世等跨國客戶成功開展了試點項目，顯示其量子算法可以使外匯交易利潤翻倍，并能找到近四倍的生產線缺陷。「量子深度學習算法與經(jīng)典算法完全不同。」Multiverse的首席執(zhí)行官恩里克·利薩索·奧爾莫斯（Enrique Lizaso Olmos）說，?「你可以更快地訓練它們，嘗試更多的策略，而且它們在從大量數(shù)據(jù)中獲得重要的相關性方面，表現(xiàn)好得多。」
從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴等科技巨頭們，更不用說爭奪技術優(yōu)勢的國家，都在競相主導這一領域。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（International Data Corp）的分析，全球量子計算產業(yè)預計將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元。
傳統(tǒng)計算機依靠二進制「比特」（開關要么打開要么關閉，表示為1和0）來處理信息，而支撐量子計算的「量子比特」是微小的亞原子粒子，可以同時存在于某種比例的兩種狀態(tài)，就像一枚硬幣在半空中旋轉。這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計算能力。目前最強大的超級計算機需要幾年時間才能解決的復雜問題有可能在幾秒鐘內解決。未來的量子計算機可以在數(shù)學和科學領域開辟出迄今仍深不可測的領域，幫助解決諸如氣候變化和食品安全等現(xiàn)存挑戰(zhàn)。最近一連串的突破和政府投資意味著我們現(xiàn)在正處于量子革命的邊緣。甘貝塔說：「我相信，我們在未來五年里在量子創(chuàng)新方面所做的工作將超過我們在過去30年里所做的。」
但任何顛覆者都伴隨著風險，而量子已經(jīng)成為國家安全的「偏頭痛」。它解決問題的能力很快就會使現(xiàn)在所有的密碼學變得過時，危及通信、金融交易，甚至軍事防御。行業(yè)出版物《量子科技內幕（Inside Quantum Technology）》的運營經(jīng)理Dan O'Shea說：「人們將量子描述為一場新的太空競賽。（去年）10月，美國總統(tǒng)喬·拜登參觀了IBM位于紐約州波基普西（Poughkeepsie）的量子數(shù)據(jù)中心，稱量子「對我們的經(jīng)濟至關重要，對我們的國家安全同樣重要」。在這個大國競爭的新時代，中國和美國特別執(zhí)著于征服這項技術，以免失去重要的地位。「這項技術將是下一次工業(yè)革命。」科羅拉多州提供商業(yè)量子應用的Quantinuum公司的總裁兼首席運營官托尼·烏特利（Tony Uttley）說，「這就像互聯(lián)網(wǎng)的開端，或經(jīng)典計算的開端。」
傳統(tǒng)的計算方式能讓我們走到今天，也是令人驚訝的。從20世紀70年代末開拓性的Apple II到今天的智能手機和超級計算機，所有的處理器都將任務分解成二進制。但生活是如此復雜，以至于以如此初級的方式呈現(xiàn)信息，就像用摩斯密碼演奏拉赫瑪尼諾夫的協(xié)奏曲。
量子也更符合自然界的規(guī)律。分子（宇宙的組成部分）是由存在于原子中的電子結合在一起的多個原子。這些電子基本上同時占據(jù)兩種狀態(tài)的方式就是量子粒子的復制，通過預測藥物與人體的相互作用，或物質在腐蝕下的表現(xiàn)，為自然科學和材料科學提供了應用。傳統(tǒng)的制造業(yè)需要經(jīng)過基于計算的猜測、通過試驗和錯誤取得突破；通過反映自然界，量子應該能允許進步被有目的地設計出來。
當世界上最大的公司和數(shù)百家初創(chuàng)公司都在爭相利用量子時，IBM近年來已成為行業(yè)領導者。如今，該公司擁有超過60臺正常運行的量子計算機（比世界上其他公司的總和還要多），而且合作者名單中包括從埃克森美孚到索尼等幾乎所有行業(yè)的巨頭。對于這家成立于一個多世紀前、以生產打卡機為生的傳奇公司來說，這是對技術頂峰的回歸。近年來，由于沒有抓住云計算和人工智能的主動權，IBM已經(jīng)落后于蘋果和微軟等競爭對手。量子提供了一些救贖，「能再次回到頂峰真是太好了。」一位高管說，「我們曾沒跳上云端，一路下滑，這不是什么秘密。」
量子芯片是非常敏感的。這個有十年歷史的IBM量子處理器被用于一項實驗，證明了背景微波是如何影響量子比特的 ｜ 圖片來源：TIME
（去年）11月，IBM發(fā)布了其新的433個比特的Osprey芯片（世界上最強大的量子處理器）。IBM在其開源的量子工具包Qiskit上有20多臺量子計算機，該工具包迄今已被下載超過45萬次。為了圍繞量子建立一個產業(yè)，一些機器可以免費使用，而付費客戶，如初創(chuàng)公司和學者，可以通過租賃的方式遠程訪問更強大的機器。IBM有一個大膽的路線圖，今年將推出1121個量子比特的處理器，到2025年，通過創(chuàng)建模塊化的量子電路，在同一臺計算機中連接多個處理器芯片，將超過4000個量子比特。「模塊化是一個很大的拐點。」IBM高級副總裁兼研究總監(jiān)達里奧·吉爾（Dario Gil）說，「我們現(xiàn)在有辦法設計出將擁有數(shù)萬個量子比特的機器。」
量子的工業(yè)用途是不可限量的。在寶馬公司的慕尼黑總部，有一面墻讓汽車設計師們夜不能寐。從頭開始創(chuàng)建一個新的汽車模型至少需要四年時間。首先，設計師使用計算機輔助造型設計，勾勒出美麗與實用相結合的外觀。接下來，用黏土雕刻出一個比例模型，并將其置于風洞中以評估空氣動力學。在對內飾、發(fā)動機性能等作出無數(shù)決定之后，最終的測試就來了：原型車以35英里/小時的速度駛向傳說中的墻壁，測試它在碰撞中的表現(xiàn)。如果該車不能滿足各種安全標準，就會回到繪圖板。
這就是量子可以通過準確預測不同形狀的復雜材料在壓力下的表現(xiàn)來提供幫助的地方。「強大的模擬碰撞測試可以在整個過程中節(jié)省6個月時間。」寶馬集團戰(zhàn)略、管理和IT安全副總裁卡斯滕·薩皮亞（Carsten Sapia）說，寶馬集團已經(jīng)與法國量子企業(yè)帕斯卡（Pascal）合作，「量子計算還將幫助我們在設計、最大內部空間和最佳空氣動力學之間找到新的最佳狀態(tài)。」
這僅僅是個開始。現(xiàn)代商業(yè)充滿了優(yōu)化問題，這些問題非常適合量子算法，可以節(jié)省時間、能源和資源。IBM公司的量子戰(zhàn)略和應用研究總監(jiān)凱蒂·皮佐拉多（Katie Pizzolato）解釋說，「我們不僅僅是在打造技術，我們還必須使勞動力能使用它。」
在過去幾年里，量子已經(jīng)從一個腳注變成了全球安全議程的首位。迄今為止，已有17個國家制定了國家量子戰(zhàn)略，還有4個國家正在制定這些戰(zhàn)略。根據(jù)《量子計算報告（Quantum Computing Report）》，自20世紀80年代中期以來，中國在量子研究方面的投資估計為250億美元。其頂級量子科學家潘建偉在2016年領導發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星，并在2021年公布了當時創(chuàng)紀錄的56比特量子計算機。中國2021年3月公布的第十四個五年規(guī)劃，將掌握量子技術作為政策重點。
作為回應，白宮在（去年）5月公布了一份《國家安全備忘錄（National Security Memorandum）》，該備忘錄命令所有聯(lián)邦機構向后量子安全過渡，因為「對經(jīng)濟和國家安全有重大風險」。鑒于升級關鍵基礎設施可能需要幾十年的時間，而且與互聯(lián)網(wǎng)相連的所有東西都具有風險，所以現(xiàn)在的動力是要采取行動。QuSecure公司的創(chuàng)始人兼首席運營官斯基普·桑澤里（Skip Sanzeri）說：「我們意識到，雖然（量子）對人類來說是美好的，但人們要做的第一件事就是將這些系統(tǒng)武器化。」QuSecure是一家后量子網(wǎng)絡安全公司，被美國軍方和聯(lián)邦政府招募來處理可能耗資1萬億美元的網(wǎng)絡安全升級。
不過，（美國）國防部前首席數(shù)據(jù)官大衛(wèi)·斯伯克（David Spirk）擔心美國有落后的風險，并呼吁對量子進行「類似曼哈頓計劃」的關注。根據(jù)世界經(jīng)濟論壇的數(shù)據(jù)，去年全球在量子方面的支出超過300億美元，其中中國約占一半，歐盟約占四分之一。與此同時，美國國家量子計劃只花了12億美元，與1萬億美元的國防開支總額相比，這一數(shù)字被稱為「微不足道」。「這不是一個即將到來的浪潮。」他說，「它就在這里。」
這其中的賭注再高不過了。今天，幾乎所有的網(wǎng)絡安全（無論是WhatsApp信息、銀行轉賬還是數(shù)字握手）都基于RSA，一種用于安全傳輸數(shù)據(jù)的非對稱加密算法。但是，普通計算機需要數(shù)十億年才能破解RSA，而快速的量子計算機只需要幾個小時。（去年）12月，中國的一個科學家團隊發(fā)表了一篇論文，稱他們有一種量子算法，可以用372比特的計算機來破解RSA（盡管其結論存在激烈的爭論）。現(xiàn)在，設計后量子安全的競賽已經(jīng)開始，這項工作由美國國家標準與技術研究所（NIST）負責。2016年，NIST宣布了一項比賽，讓程序員提出新的后量子加密算法。結果喜憂參半：2022年7月5日宣布的入圍者之一，后來被一臺普通的筆記本電腦在一個多小時內被破解。
在某些方面，這已經(jīng)太晚了。盡管強大到足以破解RSA的量子計算機還有幾年才能公開使用，但黑客們已經(jīng)在奪取和儲存敏感數(shù)據(jù)，因為他們知道很快就能通過量子訪問這些數(shù)據(jù)。吉爾說：「如果你不轉換為量子安全的協(xié)議，就沒有恢復計劃。」
烏克蘭的戰(zhàn)爭也給我們敲響了警鐘。這是歷史上第一場以網(wǎng)絡攻擊開始的熱沖突。公共服務、能源網(wǎng)、媒體、銀行、企業(yè)和非營利組織受到了網(wǎng)絡閃電戰(zhàn)的攻擊，影響了藥品、食品和救援物資的分配。現(xiàn)代戰(zhàn)爭和國家安全機制的基礎是決策的速度和準確性。「如果你的電腦比他們的快，你就贏了，這很簡單。」斯伯克說，「量子是下一個飛躍。」
圍繞著量子的惶恐不安并不僅僅來自于安全風險。我們信任經(jīng)典計算機，部分原因是我們可以用筆和紙來驗證其計算結果。但是，量子計算機涉及如此神秘的物理學，并處理如此復雜的問題，傳統(tǒng)的驗證是非常棘手的。目前，我們可以在傳統(tǒng)的超級計算機上模擬許多量子計算來檢查結果。但很快就會有這樣一個時刻，信任量子計算機將需要信任的飛躍。「現(xiàn)在在整個生態(tài)系統(tǒng)中建立信任真的很重要。」烏特利說。
量子計算機周圍的玻璃外殼使IBM能夠嚴格控制內部的溫度。這對量子芯片來說至關重要，因為它的溫度必須保持在絕對零度以上一點點 ｜ 圖片來源：TIME
例如，波音公司自2020年以來一直與IBM的量子團隊合作，為其下一代飛機設計新材料。但鑒于巨大的聲譽風險，該公司并不著急。波音公司負責顛覆性計算和網(wǎng)絡的首席工程師杰伊·洛厄爾（Jay Lowell）說：「我們用來設計飛機的建模工具受到密切監(jiān)控。將（量子）轉化為操作代碼是一個非常巨大的障礙。」
IBM非常清楚這一點。但是，通過開放其量子計算機的源代碼，并歡迎來自各地的學者和企業(yè)家，該公司希望能夠減輕這種猶豫。正如吉爾所說，「這是人類的一個新領域。」
