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·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，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)成為國家安全的“偏頭痛”。它解決問題的能力很快就會(huì)使現(xiàn)在所有的密碼學(xué)變得過時(shí)，危及通信、金融交易，甚至軍事防御。
【編者按】在電影《流浪地球2》中，550系列量子計(jì)算機(jī)出盡風(fēng)頭，在應(yīng)對(duì)危機(jī)時(shí)起到關(guān)鍵作用。與電影中只有手提箱大小、可單人攜帶的量子計(jì)算機(jī)不同，現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)看起來更像一個(gè)形狀復(fù)雜的吊燈，必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運(yùn)行。它真的有那么強(qiáng)大嗎？《時(shí)代》雜志最新一期發(fā)表封面文章《量子飛躍》，解釋了這種計(jì)算機(jī)當(dāng)前和未來的應(yīng)用場(chǎng)景，以及大企業(yè)、政府之間在量子計(jì)算領(lǐng)域展開的競(jìng)爭(zhēng)。
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，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(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(gè)芯片需要冷卻到0.015開爾文——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話的線，普通的牙線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?！盜BM負(fù)責(zé)量子業(yè)務(wù)的副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）說，“否則，釋放的蒸汽會(huì)把一切都搞亂。”
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，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，最終將無人駕駛汽車和無人機(jī)車隊(duì)變成現(xiàn)實(shí)。美國國家網(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客戶成功開展了試點(diǎn)項(xiàng)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(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?！盡ultiverse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(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?！?br/>從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴等科技巨頭們，更不用說爭(zhēng)奪技術(shù)優(yōu)勢(shì)的國家，都在競(jìng)相主導(dǎo)這一領(lǐng)域。根據(jù)國際數(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”（開關(guān)要么打開要么關(guān)閉，表示為1和0）來處理信息，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)雜問題有可能在幾秒鐘內(nèi)解決。未來的量子計(jì)算機(jī)可以在數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域開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：“我相信，我們?cè)谖磥砦迥昀镌诹孔觿?chuàng)新方面所做的工作將超過我們?cè)谶^去30年里所做的?！?br/>但任何顛覆者都伴隨著風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)使現(xiàn)在所有的密碼學(xué)變得過時(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)營經(jīng)理Dan O'Shea說：“人們將量子描述為一場(chǎng)新的太空競(jìng)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(duì)我們的經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，對(duì)我們的國家安全同樣重要”。在這個(gè)大國競(jìng)爭(zhēng)的新時(shí)代，中國和美國特別執(zhí)著于征服這項(xiàng)技術(shù)，以免失去重要的地位?！斑@項(xiàng)技術(shù)將是下一次工業(yè)革命?！笨屏_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(jì)算的開端。”
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)過基于計(jì)算的猜測(cè)、通過試驗(yàn)和錯(cuò)誤取得突破；通過反映自然界，量子應(yīng)該能允許進(jìn)步被有目的地設(shè)計(jì)出來。
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近年來已成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。如今，該公司擁有超過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埃克森美孚到索尼等幾乎所有行業(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)為生的傳奇公司來說，這是對(duì)技術(shù)頂峰的回歸。近年來，由于沒有抓住云計(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?！币晃桓吖苷f，“我們?cè)鴽]跳上云端，一路下滑，這不是什么秘密?！?img src="http://img.ccschy.com/d/file/p/2023/01/28/18/j35dtuotofv.jpg"/>

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。圖片來源：TIME

（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45萬次。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，如初創(chuàng)公司和學(xué)者，可以通過租賃的方式遠(yuǎn)程訪問更強(qiáng)大的機(jī)器。IBM有一個(gè)大膽的路線圖，今年將推出1121個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)中連接多個(gè)處理器芯片，將超過4000個(gè)量子比特。“模塊化是一個(gè)很大的拐點(diǎn)?！盜BM高級(jí)副總裁兼研究總監(jiān)達(dá)里奧·吉爾（Dario Gil）說，“我們現(xiàn)在有辦法設(shè)計(jì)出將擁有數(shù)萬個(gè)量子比特的機(jī)器?！?br/>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(shè)計(jì)師們夜不能寐。從頭開始創(chuàng)建一個(gè)新的汽車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，用粘土雕刻出一個(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)性能等作出無數(shù)決定之后，最終的測(cè)試就來了：原型車以35英里/小時(shí)的速度駛向傳說中的墻壁，測(cè)試它在碰撞中的表現(xiàn)。如果該車不能滿足各種安全標(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)來提供幫助的地方?！皬?qiáng)大的模擬碰撞測(cè)試可以在整個(gè)過程中節(jié)省6個(gè)月時(shí)間。”寶馬集團(tuán)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(tuán)已經(jīng)與法國量子企業(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)開始?，F(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(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，“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。”
在過去幾年里，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)國家制定了國家量子戰(zhàn)略，還有4個(gè)國家正在制定這些戰(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，中國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2021年3月公布的第十四個(gè)五年計(jì)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)向后量子安全過渡，因?yàn)椤皩?duì)經(jīng)濟(jì)和國家安全有重大風(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)營官斯基普·桑澤里（Skip Sanzeri）說：“我們意識(shí)到，雖然（量子）對(duì)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(luò)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(luò)安全升級(jí)。
不過，（美國）國防部前首席數(shù)據(jù)官大衛(wèi)·斯伯克（David Spirk）擔(dān)心美國有落后的風(fēng)險(xiǎn)，并呼吁對(duì)量子進(jìn)行“類似曼哈頓計(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300億美元，其中中國約占一半，歐盟約占四分之一。與此同時(shí)，美國國家量子計(jì)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”?！斑@不是一個(gè)即將到來的浪潮?！彼f，“它就在這里?！?br/>這其中的賭注再高不過了。今天，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)安全（無論是WhatsApp信息、銀行轉(zhuǎn)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(duì)稱加密算法。但是，普通計(jì)算機(jī)需要數(shù)十億年才能破解RSA，而快速的量子計(jì)算機(jī)只需要幾個(gè)小時(shí)。（去年）12月，中國的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)來破解RSA（盡管其結(jié)論存在激烈的爭(zhēng)論）。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)后量子安全的競(jìng)賽已經(jīng)開始，這項(xiàng)工作由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）負(fù)責(zé)。2016年，NIST宣布了一項(xiàng)比賽，讓程序員提出新的后量子加密算法。結(jié)果喜憂參半：2022年7月5日宣布的入圍者之一，后來被一臺(tái)普通的筆記本電腦在一個(gè)多小時(shí)內(nèi)被破解。
在某些方面，這已經(jīng)太晚了。盡管強(qiáng)大到足以破解RSA的量子計(jì)算機(jī)還有幾年才能公開使用，但黑客們已經(jīng)在奪取和儲(chǔ)存敏感數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄冎篮芸炀湍芡ㄟ^量子訪問這些數(shù)據(jù)。吉爾說：“如果你不轉(zhuǎn)換為量子安全的協(xié)議，就沒有恢復(fù)計(jì)劃?！?br/>烏克蘭的戰(zhàn)爭(zhēng)也給我們敲響了警鐘。這是歷史上第一場(chǎng)以網(wǎng)絡(luò)攻擊開始的熱沖突。公共服務(wù)、能源網(wǎng)、媒體、銀行、企業(yè)和非營利組織受到了網(wǎng)絡(luò)閃電戰(zhàn)的攻擊，影響了藥品、食品和救援物資的分配?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和國家安全機(jī)制的基礎(chǔ)是決策的速度和準(zhǔn)確性?！叭绻愕碾娔X比他們的快，你就贏了，這很簡(jiǎn)單。”斯伯克說，“量子是下一個(gè)飛躍。”
圍繞著量子的惶恐不安并不僅僅來自于安全風(fēng)險(xiǎn)。我們信任經(jīng)典計(jì)算機(jī)，部分原因是我們可以用筆和紙來驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果。但是，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)雜的問題，傳統(tǒng)的驗(yàn)證是非常棘手的。目前，我們可以在傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬許多量子計(jì)算來檢查結(jié)果。但很快就會(huì)有這樣一個(gè)時(shí)刻，信任量子計(jì)算機(jī)將需要信任的飛躍?！艾F(xiàn)在在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中建立信任真的很重要?！睘跆乩f。

量子計(jì)算機(jī)周圍的玻璃外殼使IBM能夠嚴(yán)格控制內(nèi)部的溫度。這對(duì)量子芯片來說至關(guān)重要，因?yàn)樗臏囟缺仨毐３衷诮^對(duì)零度以上一點(diǎn)點(diǎn)。圖片來源：TIME

例如，波音公司自2020年以來一直與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。但鑒于巨大的聲譽(yù)風(fēng)險(xiǎn)，該公司并不著急。波音公司負(fù)責(zé)顛覆性計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的首席工程師杰伊·洛厄爾（Jay Lowell）說：“我們用來設(shè)計(jì)飛機(jī)的建模工具受到密切監(jiān)控。將（量子）轉(zhuǎn)化為操作代碼是一個(gè)非常巨大的障礙?！?br/>IBM非常清楚這一點(diǎn)。但是，通過開放其量子計(jì)算機(jī)的源代碼，并歡迎來自各地的學(xué)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(gè)新領(lǐng)域。”