《時(shí)代》雜志最新一期發(fā)表封面文章《量子飛躍》，解釋量子計(jì)算機(jī)當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景，以及大企業(yè)、政府之間在量子計(jì)算領(lǐng)域展開(kāi)的競(jìng)爭(zhēng)。

量子對(duì)數(shù)據(jù)堆的獨(dú)特分析能力，已經(jīng)在優(yōu)化數(shù)以千計(jì)油輪穿越全球的路線(xiàn)，幫助決定哪些ICU病人需要最緊急的護(hù)理，并在原子水平上模仿化學(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。

但任何顛覆者都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，而量子已經(jīng)成為國(guó)家安全的「偏頭痛」。它解決問(wèn)題的能力很快就會(huì)使現(xiàn)在所有的密碼學(xué)變得過(guò)時(shí)，危及通信、金融交易，甚至軍事防御。

以下為文章編譯，略有刪節(jié)。

《時(shí)代》雜志最新一期發(fā)表封面文章《量子飛躍》

建造世界上最強(qiáng)大計(jì)算機(jī)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(xué)家們總是隨身攜帶一盒牙線(xiàn)，以防他們需要修補(bǔ)油桶大小的量子計(jì)算機(jī)，最新的量子計(jì)算機(jī)可以完成某些任務(wù)，其速度是你的筆記本電腦的數(shù)百萬(wàn)倍。

在IBM「系統(tǒng)一號(hào)（System One）」閃閃發(fā)光的鋁罐里，有3個(gè)周長(zhǎng)逐漸減少的圓柱體，就像一組俄羅斯套娃一樣，被類(lèi)似《蒙娜麗莎》的保護(hù)玻璃一樣的玻璃所包圍。這3個(gè)圓柱體共同包裹著一盞「吊燈」，「吊燈」中的銀線(xiàn)通過(guò)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(gè)芯片需要冷卻到0.015開(kāi)爾文——比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)，比外太空還冷。大多數(shù)材料在如此劇烈的冷卻下都會(huì)收縮或變脆并斷裂。但事實(shí)證明，如果你需要固定不聽(tīng)話(huà)的線(xiàn)，普通的牙線(xiàn)可以很好地保持其完整性。

量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的「吊燈」被設(shè)計(jì)用來(lái)將其芯片冷卻到比外太空更低的溫度

「但只有未打蠟、無(wú)味的那種才行?！笽BM負(fù)責(zé)量子業(yè)務(wù)的副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）說(shuō)，「否則，釋放的蒸汽會(huì)把一切都搞亂?！?/p>

量子對(duì)數(shù)據(jù)堆的獨(dú)特分析能力，已經(jīng)在優(yōu)化數(shù)以千計(jì)油輪穿越全球的路線(xiàn)，幫助決定哪些ICU病人需要最緊急的護(hù)理，并在原子水平上模仿化學(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，有能力更好地訓(xùn)練算法，最終將無(wú)人駕駛汽車(chē)和無(wú)人機(jī)車(chē)隊(duì)變成現(xiàn)實(shí)。美國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)總監(jiān)克里斯·英格利斯（Chris Inglis）告訴《時(shí)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(chǎn)管理公司，因?yàn)榧{入量子計(jì)算幾乎不需要增加管理費(fèi)用，但商業(yè)用途也離我們不遠(yuǎn)了。西班牙公司Multiverse Computing已經(jīng)與巴斯夫和博世等跨國(guó)客戶(hù)成功開(kāi)展了試點(diǎn)項(xiàng)目，顯示其量子算法可以使外匯交易利潤(rùn)翻倍，并能找到近四倍的生產(chǎn)線(xiàn)缺陷?！噶孔?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/448/" target="_blank">深度學(xué)習(xí)算法與經(jīng)典算法完全不同?！筂ultiverse的首席執(zhí)行官恩里克·利薩索·奧爾莫斯（Enrique Lizaso Olmos）說(shuō)，?「你可以更快地訓(xùn)練它們，嘗試更多的策略，而且它們?cè)趶拇罅繑?shù)據(jù)中獲得重要的相關(guān)性方面，表現(xiàn)好得多?！?/p>

從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴等科技巨頭們，更不用說(shuō)爭(zhēng)奪技術(shù)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家，都在競(jìng)相主導(dǎo)這一領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（International Data Corp）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」（開(kāi)關(guān)要么打開(kāi)要么關(guān)閉，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，可以同時(shí)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(zhuǎn)。這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計(jì)算能力。目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要幾年時(shí)間才能解決的復(fù)雜問(wèn)題有可能在幾秒鐘內(nèi)解決。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可以在數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟出迄今仍深不可測(cè)的領(lǐng)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(shuō)：「我相信，我們?cè)谖磥?lái)五年里在量子創(chuàng)新方面所做的工作將超過(guò)我們?cè)谶^(guò)去30年里所做的?！?/p>

但任何顛覆者都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，而量子已經(jīng)成為國(guó)家安全的「偏頭痛」。它解決問(wèn)題的能力很快就會(huì)使現(xiàn)在所有的密碼學(xué)變得過(guò)時(shí)，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(nèi)幕（Inside Quantum Technology）》的運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Dan O'Shea說(shuō)：「人們將量子描述為一場(chǎng)新的太空競(jìng)賽。（去年）10月，美國(guó)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(chēng)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)特別執(zhí)著于征服這項(xiàng)技術(shù)，以免失去重要的地位?！高@項(xiàng)技術(shù)將是下一次工業(yè)革命。」科羅拉多州提供商業(yè)量子應(yīng)用的Quantinuum公司的總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官托尼·烏特利（Tony Uttley）說(shuō)，「這就像互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)端，或經(jīng)典計(jì)算的開(kāi)端?！?/p>

傳統(tǒng)的計(jì)算方式能讓我們走到今天，也是令人驚訝的。從20世紀(jì)70年代末開(kāi)拓性的Apple II到今天的智能手機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)，所有的處理器都將任務(wù)分解成二進(jìn)制。但生活是如此復(fù)雜，以至于以如此初級(jí)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(jié)合在一起的多個(gè)原子。這些電子基本上同時(shí)占據(jù)兩種狀態(tài)的方式就是量子粒子的復(fù)制，通過(guò)預(yù)測(cè)藥物與人體的相互作用，或物質(zhì)在腐蝕下的表現(xiàn)，為自然科學(xué)和材料科學(xué)提供了應(yīng)用。傳統(tǒng)的制造業(yè)需要經(jīng)過(guò)基于計(jì)算的猜測(cè)、通過(guò)試驗(yàn)和錯(cuò)誤取得突破；通過(guò)反映自然界，量子應(yīng)該能允許進(jìn)步被有目的地設(shè)計(jì)出來(lái)。

當(dāng)世界上最大的公司和數(shù)百家初創(chuàng)公司都在爭(zhēng)相利用量子時(shí)，IBM近年來(lái)已成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。如今，該公司擁有超過(guò)60臺(tái)正常運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)（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?？松梨诘剿髂岬葞缀跛行袠I(yè)的巨頭。對(duì)于這家成立于一個(gè)多世紀(jì)前、以生產(chǎn)打卡機(jī)為生的傳奇公司來(lái)說(shuō)，這是對(duì)技術(shù)頂峰的回歸。近年來(lái)，由于沒(méi)有抓住云計(jì)算和人工智能的主動(dòng)權(quán)，IBM已經(jīng)落后于蘋(píng)果和微軟等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。量子提供了一些救贖，「能再次回到頂峰真是太好了?！挂晃桓吖苷f(shuō)，「我們?cè)鴽](méi)跳上云端，一路下滑，這不是什么秘密?！?/p>

量子芯片是非常敏感的。這個(gè)有十年歷史的IBM量子處理器被用于一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證明了背景微波是如何影響量子比特的?

（去年）11月，IBM發(fā)布了其新的433個(gè)比特的Osprey芯片（世界上最強(qiáng)大的量子處理器）。IBM在其開(kāi)源的量子工具包Qiskit上有20多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，該工具包迄今已被下載超過(guò)45萬(wàn)次。為了圍繞量子建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)，一些機(jī)器可以免費(fèi)使用，而付費(fèi)客戶(hù)，如初創(chuàng)公司和學(xué)者，可以通過(guò)租賃的方式遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)更強(qiáng)大的機(jī)器。IBM有一個(gè)大膽的路線(xiàn)圖，今年將推出1121個(gè)量子比特的處理器，到2025年，通過(guò)創(chuàng)建模塊化的量子電路，在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中連接多個(gè)處理器芯片，將超過(guò)4000個(gè)量子比特。「模塊化是一個(gè)很大的拐點(diǎn)?！笽BM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)達(dá)里奧·吉爾（Dario Gil）說(shuō)，「我們現(xiàn)在有辦法設(shè)計(jì)出將擁有數(shù)萬(wàn)個(gè)量子比特的機(jī)器?！?/p>

量子的工業(yè)用途是不可限量的。在寶馬公司的慕尼黑總部，有一面墻讓汽車(chē)設(shè)計(jì)師們夜不能寐。從頭開(kāi)始創(chuàng)建一個(gè)新的汽車(chē)模型至少需要四年時(shí)間。首先，設(shè)計(jì)師使用計(jì)算機(jī)輔助造型設(shè)計(jì)，勾勒出美麗與實(shí)用相結(jié)合的外觀。接下來(lái)，用黏土雕刻出一個(gè)比例模型，并將其置于風(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)性能等作出無(wú)數(shù)決定之后，最終的測(cè)試就來(lái)了：原型車(chē)以35英里/小時(shí)的速度駛向傳說(shuō)中的墻壁，測(cè)試它在碰撞中的表現(xiàn)。如果該車(chē)不能滿(mǎn)足各種安全標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)回到繪圖板。

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?！笍?qiáng)大的模擬碰撞測(cè)試可以在整個(gè)過(guò)程中節(jié)省6個(gè)月時(shí)間?！箤汃R集團(tuán)戰(zhàn)略、管理和IT安全副總裁卡斯滕·薩皮亞（Carsten Sapia）說(shuō)，寶馬集團(tuán)已經(jīng)與法國(guó)量子企業(yè)帕斯卡（Pascal）合作，「量子計(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)之間找到新的最佳狀態(tài)。」

這僅僅是個(gè)開(kāi)始?，F(xiàn)代商業(yè)充滿(mǎn)了優(yōu)化問(wèn)題，這些問(wèn)題非常適合量子算法，可以節(jié)省時(shí)間、能源和資源。IBM公司的量子戰(zhàn)略和應(yīng)用研究總監(jiān)凱蒂·皮佐拉多（Katie Pizzolato）解釋說(shuō)，「我們不僅僅是在打造技術(shù)，我們還必須使勞動(dòng)力能使用它?！?/p>

在過(guò)去幾年里，量子已經(jīng)從一個(gè)腳注變成了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，還有4個(gè)國(guó)家正在制定這些戰(zhàn)略。根據(jù)《量子計(jì)算報(bào)告（Quantum Computing Report）》，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)為250億美元。其頂級(jí)量子科學(xué)家潘建偉在2016年領(lǐng)導(dǎo)發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星，并在2021年公布了當(dāng)時(shí)創(chuàng)紀(jì)錄的56比特量子計(jì)算機(jī)。中國(guó)2021年3月公布的第十四個(gè)五年規(guī)劃，將掌握量子技術(shù)作為政策重點(diǎn)。

作為回應(yīng)，白宮在（去年）5月公布了一份《國(guó)家安全備忘錄（National Security Memorandum）》，該備忘錄命令所有聯(lián)邦機(jī)構(gòu)向后量子安全過(guò)渡，因?yàn)椤笇?duì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重大風(fēng)險(xiǎn)」。鑒于升級(jí)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施可能需要幾十年的時(shí)間，而且與互聯(lián)網(wǎng)相連的所有東西都具有風(fēng)險(xiǎn)，所以現(xiàn)在的動(dòng)力是要采取行動(dòng)。QuSecure公司的創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)官斯基普·桑澤里（Skip Sanzeri）說(shuō)：「我們意識(shí)到，雖然（量子）對(duì)人類(lèi)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。」QuSecure是一家后量子網(wǎng)絡(luò)安全公司，被美國(guó)軍方和聯(lián)邦政府招募來(lái)處理可能耗資1萬(wàn)億美元的網(wǎng)絡(luò)安全升級(jí)。

不過(guò)，（美國(guó)）國(guó)防部前首席數(shù)據(jù)官大衛(wèi)·斯伯克（David Spirk）擔(dān)心美國(guó)有落后的風(fēng)險(xiǎn)，并呼吁對(duì)量子進(jìn)行「類(lèi)似曼哈頓計(jì)劃」的關(guān)注。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的數(shù)據(jù)，去年全球在量子方面的支出超過(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)劃只花了12億美元，與1萬(wàn)億美元的國(guó)防開(kāi)支總額相比，這一數(shù)字被稱(chēng)為「微不足道」。「這不是一個(gè)即將到來(lái)的浪潮?！?/strong>他說(shuō)，「它就在這里?！?/strong>