量子计算将如何改变我们的世界

来源/ 公众号量子前哨（有删减）

文：查理·坎贝尔 (CHARLIE CAMPBELL)

编译：王珩

编辑：慕一

图片来源：时代周刊

建造世界上最强大的计算机的一个小秘密，可能就在您的浴室柜子里。

在美国纽约州韦斯特切斯特县的IBM托马斯·沃森研究中心，科学家们总是随身携带一盒牙线——首选品牌是Reach——以便于他们随时需要修补油桶大小的量子计算机，它的最新型号完成某些计算任务的速度，是笔记本电脑的数百万倍。

IBM量子计算机System One的表面用与名画蒙娜·丽莎同款的防爆玻璃保护，后面是闪闪发光的铝罐，再里面是三个圆周递减的圆柱体，就像一组俄罗斯套娃。它们一起包裹着一盏由环形银线组成的“枝形吊灯”，这些银线穿过厚实的层叠金板连接到底座中的量子芯片。为了正常工作，该芯片需要置于0.015开尔文的超低温空腔中——这温度比外太空还要冷，仅比绝对零度高一点点。大多数材料在如此低温下会收缩或变脆并折断。事实证明，如果您需要固定不规则的金属丝时，普通牙线可以很好的完成这个任务。

IBM量子副总裁Jay Gambetta说：“但仅限于未上蜡、未加香料的那种牙线。否则，它上面挥发的气体会把一切搞砸。”

量子计算机内部的“枝形吊灯”细节，它们用于将其量子计算芯片冷却到低于外太空的温度。

量子“枝形吊灯”可能看起来很壮观，但对于下一代计算机来说并不实用。IBM设计了更灵活的低温柔软排线来代替环状电线。

这是一项将要改变几乎所有事物的技术——量子计算机的一个奇怪之处。量子计算机处理大量数据的独特能力已经开始优化全球数千辆油轮的路线，还能帮助决定哪些ICU患者需要最紧急的护理，并在原子水平上模拟化学过程以更好地设计新材料。它还有望增强人工智能：它能更好地训练算法，最终将无人驾驶汽车变为现实。美国国家网络总监 Chris Inglis告诉《时代》周刊，量子人工智能模拟展现出“令人难以置信的有效性和效率能力”。

量子计算最早的采用者是资产管理公司，对它们来说，采用量子计算几乎不会增加间接成本，但其它商业用途也不甘落后。西班牙公司Multiverse Computing与巴斯夫公司和博世公司等跨国客户成功开展了试点项目，证明其量子算法可以使外汇交易利润翻倍，并发现几乎四倍的生产线缺陷。“量子深度学习算法与经典算法完全不同，”Multiverse 首席执行官Enrique Lizaso Olmos说：“你可以更快地训练它们，尝试更多的策略，它们更善于从大量数据中获取重要的相关性。”

从谷歌到亚马逊和阿里巴巴的科技巨头，正在竞相主导这个领域。根据国际数据公司的分析，全球量子计算产业预计将从2020年的4.12亿美元增长到2027年的86亿美元。

从量子计算机接收的数据必须馈送到经典控制电子系统的机架以处理计算

传统计算机依靠二进制“比特”——打开或关闭开关，表示为1和0来处理信息，而支撑量子计算的“量子比特”是微小的亚原子粒子，它们可以同时存在于一定比例的两种状态中，类似于在半空中旋转的硬币。这种从双变量处理到多变量处理的飞跃以指数方式提高了计算能力。目前需要最强大的超级计算机花费数年才能解决的复杂问题可能在几秒钟内得到解决。未来的量子计算机可以开辟科学上深不可测的前沿领域，帮助解决气候变化和粮食安全等生存问题。最近的一系列突破和政府投资意味着我们正处于量子革命的风口浪尖。

但任何颠覆都伴随着风险，它的超强算力将很快使所有现有的密码都过时，危及通信、金融交易。“人们将量子计算描述为一场新的太空竞赛，”行业刊物Inside Quantum Technology（量子技术内参）的运营经理Dan O'Shea说。“这项技术将成为下一次工业革命，”Quantinuum总裁兼首席运营官Tony Uttley说。Quantinuum是一家位于科罗拉多州的公司，提供商业量子应用。“这类似于互联网的开始，或者经典计算的开始。”

从20世纪70年代后期开创性的个人计算机Apple II 到今天的智能手机和超级计算机，所有处理器都将任务分解为二进制。但自然是如此复杂，以二进制如此基本的方式呈现信息就像用摩尔斯电码演奏拉赫玛尼诺夫协奏曲一样。

量子计算可能更符合自然。因为宇宙的基石——分子就是通过电子结合在一起的多个原子，电子作为每个原子的一部分存在。这些电子本质上同时占据两种状态的方式就是量子粒子存在的方式，也是量子计算的原理。所以量子计算可以预测药物如何与人体相互作用，或是物质在腐蚀下的表现，为自然科学和材料科学提供依据。传统制造业需要通过计算进行猜测，再通过反复试验取得突破。而通过直接反映自然世界，量子计算将允许我们有目的地设计物质的改变方向。

虽然世界上最大的公司以及数百家初创公司都在呼吁利用量子技术，但IBM近年来已然成为行业领导者。如今该公司拥有60多台运行中的量子计算机——比世界其他地方的总和还要多——以及一份沉甸甸的合作者名单，其中包括从埃克森美孚到索尼等几乎所有行业的巨头。对于这家传奇公司来说，重返技术巅峰是可喜的事情。IBM成立于一个多世纪前，主要生产配备打孔卡的制表机。近年来，IBM在云计算和人工智能方面没有抢占先机，落后于苹果、微软等竞争对手，直到量子计算才为IBM挽回了一些局面。“再次回到巅峰真是太好了，”一位高管说：“我们这次没有飘在云上让机会溜走。”

量子芯片极其敏感。这个有十年历史的早期IBM量子处理器被用于证明宇宙微波背景辐射影响量子比特的实验。

2022年11月，IBM推出了其新的433量子比特Osprey（鱼鹰）芯片——是目前世界上最强大的超导型量子处理器，其理论上的信息存储能力将远远超过已知宇宙中的原子总数。IBM在其开源量子工具平台Qiskit上提供了二十多台量子计算机，迄今为止服务计算量已超过450,00 次。IBM为了围绕量子建立一个产业，将其中一些机器设为可以免费使用，而初创公司和学者等付费客户可以在租赁的基础上远程访问更强大的机器。

IBM还有一个大胆的路线图，今年将推出1,121量子比特的处理器，并通过创建连接同一台计算机中多个处理器芯片的模块化量子电路，到2025年超过4,000量子比特。“模块化是一个很大的转折点，”IBM高级副总裁兼研究总监Dario Gil说：“我们现在已经有办法设计出拥有数万个量子比特的机器。”

量子的工业用途是无限的。在宝马位于慕尼黑的总部内，有一堵墙曾让汽车设计师彻夜难眠。从零开始打造一款新车型至少需要四年时间。首先，设计师使用计算机辅助造型勾勒出兼具美感与实用性的外观草图。接下来，用粘土雕刻比例模型并将其放置在风洞中以评估空气动力学。在对内饰、发动机性能等做出无数决定后，最终测试即将到来：一辆原型车以35英里/时的速度撞上那堵传说中的墙，以测试它在碰撞中的表现。如果汽车不符合各种安全标准，它就会重新设计。

位于纽约约克敦高地的IBM研究实验室。

超导量子计算机内部的完整“枝形吊灯”——稀释制冷机。

这就是量子可以通过准确预测不同形状的复杂材料在压力下的表现来提供帮助的地方。“稳健的模拟碰撞测试可以在整个过程中节省长达六个月的时间，”宝马集团战略治理和IT安全副总裁Carsten Sapia说，他们正在与法国量子公司Pasqal合作。“量子计算还将帮助我们在设计、最大内部空间和最佳空气动力学之间找到新的最佳选择。”

这仅仅是个开始。现代商业充满了最适合量子算法的优化问题，可以节省时间、精力和资源。“我们不仅仅是在构建技术，我们还必须让员工能够使用它，”IBM量子战略和应用研究主管Katie Pizzolato解释说。

Sapia说找到这项技术的用途很容易——问题在于确保BMW的所有部门都能使用它。由于对跨境数据传输的限制越来越严格，宝马已经无法从欧洲与其在其它国家的汽车进行通信，以进行驾驶软件维护和监控。Sapia说：“未来，我们将依靠世界各地都能获得量子技术来开展业务。那么如何设置它，以便无论在地缘政治范围内发生什么，我们仍然可以使用这项技术呢？”

IBM研究实验室的内部。

如今，几乎所有网络安全——无论是聊天软件上的消息、银行转账还是数字握手——都基于RSA算法，这是一种用于安全传输数据的非对称加密算法。但是，虽然普通计算机需要数十亿年才能破解RSA密码，但未来快速的量子计算机只需要几个小时。现在，设计后量子安全的竞赛已经开始——这项工作落到了美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的肩上。2016年，NIST宣布了一项程序员竞赛，旨在提出新的后量子加密算法。结果喜忧参半：2022年7月5日公布的一个决赛入围加密算法，在一个多小时内就被一台普通笔记本电脑破解了。

在某些方面，这已经太晚了。尽管足以破解RSA的量子计算机距离公开可用还有几年的时间，但黑客已经在获取和存储敏感数据，因为他们知道他们很快就能通过量子访问这些数据。IBM高级副总裁兼研究总监Gil说：“如果你不转换成后量子安全加密协议，就没有挽回的余地。”

围绕量子的恐惧不仅仅源于安全风险。我们信任经典计算机的部分原因是我们可以用笔和纸来验证它们的计算。但量子计算机涉及如此神秘的物理学，并处理如此复杂的问题，很难用传统的方法进行验证。目前还可以在传统的超级计算机上模拟少数量子比特的计算来检查结果，但无法验证的情况很快就会到来。信任量子计算机需要信念的飞跃。Uttley说：“现在在整个生态系统中建立信任非常重要。”

例如，波音公司自2020年以来一直与IBM的量子团队合作，为其下一代飞机设计新材料。但鉴于巨大的风险，该公司并不着急出结果。“我们用来设计飞机的建模工具受到密切监控，”波音公司负责颠覆性计算和网络的总工程师 Jay Lowell说：“将量子计算变成可操作的代码是一个巨大的障碍。”

IBM非常了解这一点。但通过开源其量子计算机并欢迎来自各地的学者和企业家，该公司希望能减轻这种犹豫。正如Gil所说：“这是人类的新领域。”

量子计算机周围的玻璃外壳让IBM能严密控制内部温度。这对于量子芯片至关重要，它必须保持在绝对零度附近。