读书｜量子计算机革新将重塑人类未来

发布时间：2025-04-29　点此：422次

量子核算机之所以被冠以“终极核算机”称谓，是由于它是技能层面带有决定性含义的一次腾跃，将为咱们的经济、社会以及日子方式创始一个全新的年代。

正由于意识到这场革新行将带来深刻影响，所以国际上许多领头雁公司都挑选在这项新技能上斥以巨资，谷歌、微软、英特尔、IBM、里格蒂核算公司和霍尼韦尔等都在开发量子核算原型机。本钱比赛好像比技能比赛更剧烈，华尔街对量子核算范畴的草创公司给予了很高估值。各国政府也纷繁投入资金，加快量子技能方面的研讨。轿车制造商、医学研讨人员和咨询公司都押注于量子核算，以规划更高效的车辆，创造解救生命的新药，并简化事务。但这仅仅是开端。

人类面对的任何问题都有或许被量子核算机处理。国际闻名物理学家加来道雄博士一生致力于量子理论研讨，他以其标志性的明晰和热心，叙述了这个令人兴奋的科学前沿论题，以及激动人心的抢夺人类未来的比赛。

《量子霸权：量子核算机革新怎样改动国际》，[美]加来道雄著

，苏京春译，中信出书集团出书

>>内文选读：

量子年代的到来意味着什么？

量子霸权

2012年，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔初次提出“量子霸权”这一说法，那时许多科学家都不认同。他们以为，量子核算机想要逾越数字核算机还有很长的路要走，短则几十年，长则或许几个世纪。究竟，在单个原子而不是在硅片上完结核算，在科学家看来技能上是极难完结的。哪怕是最细微的振荡或噪声都会打乱量子核算机中原子的精密作业。但到现在，一系列关于量子霸权的惊人声明，都损坏了当年反对者的失望猜测。当下，人们只重视这个范畴究竟开展到了哪里，而不再置疑它是否有开展的潜力。

该范畴中不断发布的杰出成果引起了广泛的重视和轰动，乃至惊动了各国政界以及绝密情报组织。一些告密者供给的资料标明，美国中央情报局和美国国家安全局都在亲近重视该范畴的开展。这是由于量子核算机的功用十分强壮，原则上，老练的量子核算机可以破解全部已知的网络代码。这就意味着，政府精心维护的隐秘，即便是视若瑰宝的极点灵敏信息，也都十分简略遭到进犯，企业或个人的秘要就更不必说了。意识到状况的紧迫性之后，担任拟定国家方针和规范的美国国家规范与技能研讨院（NIST）最近发布了指导方针，自动协助大公司和组织制定方案，使它们可以更平稳地过渡到这个或许无法防止的新年代。美国国家规范与技能研讨院声称，估量到2029年，量子核算机能破解128位AES（高档加密规范）加密，而这也是当时许多公司正在运用的加密算法。

在《福布斯》杂志上，阿里·埃尔·卡法拉尼撰文指出：“对任何需求维护灵敏信息的组织而言，这都是一个令人望而生畏的远景。”

我国现已在量子信息科学国家试验室投入了100亿美元，方针便是成为这一至关重要、快速开展的技能范畴的领导者。各国花费数百亿美元乃至更多，来小心谨慎地维护这些暗码。有了量子核算机之后，黑客就有才干闯入地球上任何一台数字核算机，然后打乱工业工作乃至军事行动。全部灵敏信息都将有机会被供给给出价最高的人。而一旦量子核算机闯入华尔街的密室，则或许引发金融商场动乱。当然，量子核算机还或许解锁区块链，严峻损坏比特币商场。据德勤的估量，大约25%的比特币有或许遭到量子核算机的黑客进犯。

数据软件信息技能公司CB Insights在一份陈述中总结：“那些工作区块链项目的人或许正亲近重视量子核算的每一个前进。”

因而，与数字技能严密相连的经济国际实际上正处于危险之中。华尔街的银行会运用数字核算机来盯梢数十亿美元大体量的买卖。工程师则用数字核算机规划着摩天大楼、桥梁和火箭。艺术家也在通过数字核算机来完结好莱坞大片的动画制造。制药公司会运用数字核算机来开发下一种特效药。孩子也通过运用数字核算机，和朋友一同玩最新的电子游戏。至关重要的是，现在咱们严峻依靠手机来获取朋友、搭档和亲人发来的即时消息，恐怕咱们都有过因找不到手机而堕入惊惧的阅历。事实上，当时人类的日子很难不依靠数字核算机。人类是如此依靠数字核算机，以至于假如国际上全部的数字核算机忽然中止作业了，那么人类文明也就堕入紊乱了。这也是为什么科学家如此亲近地重视量子核算机开展。

摩尔规律的完结

究竟是什么导致这场紊乱和争议产生的呢？

量子核算机的鼓起实际上标志着硅年代开端挨近结尾。曩昔的半个世纪里，摩尔规律提醒了核算机职业强壮的迸发规矩，它也正是由英特尔的创始人戈登·摩尔提出并命名的。摩尔规律指出，核算机的核算才干每18个月就能翻一番。这个看似简略的规律实际上有用追寻并描绘了核算机技能的明显指数级添加。这项创造是人类历史上史无前例的，没有其他任何创造能在如此短的时刻内产生如此遍及的影响。

核算机这项创造在登上历史舞台后，已历经许多开展阶段，每一个新阶段的到来都极大地增强了核算机的才干，而且推动了严重的社会变革。事实上，摩尔规律一向可以追溯到19世纪的机械核算机年代。那时候，工程师还只能运用旋转的圆柱体、齿轮、传动设备和轮毂来完结简略的算术运算。到了20世纪之交，这些核算设备开端运用电力工作，所以继电器和电缆替代了齿轮体系。到第二次国际大战期间，核算机现已可以通过运用很多真空管进行杂乱核算来破解政府高档暗码。第二次国际大战后，真空管晋级为晶体管，而跟着晶体管的体积不断完结微缩，核算机的速度和功率也完结了持续前进。

早在20世纪50年代，只要五角大楼和跨国银行等政府组织或大公司才干买得起大型核算机。这些核算机的功用十分强壮（例如，ENIAC可以在30秒内完结人类或许需求20小时才干完结的核算使命），但它们的价格昂贵、体积巨大，常常需求占有办公楼的整整一层。后来，微芯片彻底改动了这个局势，通过几十年的开展，微芯片的尺度不断减小，直到现在，指甲盖巨细的芯片都包容着大约10亿个晶体管。现在，孩子用来玩电子游戏的手机比曾经五角大楼用过的要占用一间屋子的粗笨家伙的核算功用更强壮，咱们包袋里的笔记本电脑也比“暗斗”时期那些巨大的电脑更先进。

全部都将成为曩昔。核算机的每一次转机性开展，都让之前的技能遭到创造性损坏的冲击，并终究走向被筛选的命运。摩尔规律所指出的开展规矩，在实际中现已呈现放缓趋势，照此下去终究势必将中止。首要原因是，现在的微芯片现已十分紧凑了，最薄的晶体管层大约只要20个原子直径那样薄。而当晶体管层持续紧缩到大约只要5个原子直径时，电子的方位就将变得不确定，电子或许会逃逸出来，然后导致芯片短路，或许或许会产生很多热量而进一步导致芯片熔化，囿于此，晶体管层持续紧缩变薄的空间现已不断收窄。换言之，依据物理规律，假如想要在首要资料为硅的基础上持续微缩，那么摩尔规律终究会面对溃散。由此来看，咱们或许现已开端步入见证硅年代完结的阶段。硅年代之后的下一个年代，或许正是咱们所说的后硅年代，或许可以直接称之为量子年代。

正如英特尔公司的桑贾伊·纳塔拉詹所说的：“咱们以为，咱们现已从这个体系结构中挤出了全部你以为可以挤出的空间。”

下一轮技能浪潮降临后，硅谷终究很有或许变成新“锈带”。

尽管现在放眼望去，全部好像都还惊涛骇浪，可是这个新未来迟早会翻天覆地而来。正如谷歌人工智能试验室主任哈特穆特·内文所说：“表面上看起来什么都没有产生，没有任何风波——直到你忽然喊出‘哎哟，我怎样就来到这个全新国际了呢’。”

它们为何如此强壮？

是什么让量子核算机如此强壮，以至于全国际各个国家都刻不容缓地想把握这项新技能？

从本质上讲，全部近现代核算机都是根据数字信息技能的，均选用一系列0和1的组合进行编码。信息的最小单位，即单个数字，被称为“位”。将0和1的序列输入数字处理器，随后数字处理器就开端进行核算，核算出成果后再输出。例如，你的互联网衔接速度可以用每秒的比特数（缩写为bps）来衡量，所以1G带宽便是指每秒有10亿多个字节被发送到你的电脑，因而你可以比较流畅地实时拜访电影、电子邮件、文档等。

但是，1959年诺贝尔奖得主理查德·费曼调查到了一种不同的数字信息办法。在一次名为“底部有满足的空间”的颇具预言性、创始性的讲演，以及后来宣布的论文中，费曼都曾发问：“为什么不考虑用原子状况替代0和1序列然后制造出一台原子核算机呢？为什么不必尽或许小的物质——原子去替代晶体管呢？”

原子就像一个一向旋转的陀螺。在磁场中，它们的方位是相对愈加灵敏的，可以适应磁场产生向上或向下摆放，以此来对应于0或1的摆放。数字核算机的核算才干与核算机中的位数（0或1）直接相关。

但亚原子国际的规矩是不稳定的，由于原子或许旋转到两者的恣意组合傍边。例如，或许存在这样一种状况，原子有10%的时刻是自旋向上的、90%的时刻是自旋向下的，或许有65%的时刻是自旋向上的、35%的时刻是自旋向下的。事实上，原子自旋的这种规矩或许导致无数种状况，然后大大添加了去描绘更多数量的各种状况的或许性。因而，原子表现出可以带着更多信息的特点，这时基本单位也不再是一个比特，而是一个量子位，即同步完结向上和向下的不同组合。数字算法下的比特单位，每次只能带着一位信息，然后约束了它们的才干。比照之下，量子位的才干简直可以说是无限的，这是由于在原子水平上，某一个物质往往可以完结一起以多种不同状况存在，这被称为“量子叠加”。（这就意味着，常见的通用规律在原子水平上不再适用。由于在原子这个特别维度上，原子中的电子乃至可以一起在两个不同状况下存在，而大型物体是不或许做到这一点的，它们不或许一起呈现在两个不同当地。）

此外，这些量子位之间还可以相互作用，而这关于一般的比特来说也是不或许的，这种量子位之间的相互作用叫作“量子羁绊”。与每一个比特都是处于相对独立的存在状况有所不同，每逢添加一个新的量子位时，这个量子位都会与之前的全部量子位产生相互作用，然后使本来的量子位之间或许产生相互作用的次数直接添加一倍。也正因有这样的内涵特点，量子核算机天生就比数字核算机强壮得多，由于每添加一个额定量子位，交互次数就会翻倍。

举个比如，当下的量子核算机现已可以具有100多个量子位。这就意味着，这些量子核算机的核算才干相当于那些只具有一个量子位的超级核算机的2100倍。

谷歌的Sycamore量子核算机便是全球第一台完结量子霸权的核算机，其具有的53个量子位可以处理720亿吉字节内存。因而，在Sycamore这样的量子核算机面前，任何传统核算机都相形见绌。

无论是对商业仍是对科学来说，量子核算机的强壮核算才干带来的影响都将是巨大的。当咱们从数字经济的国际过渡到量子经济的国际时，更大的危险也将随之而来。

作者：[美]加来道雄

文：[美]加来道雄修改：蒋楚婷责任修改：朱自奋

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