——读《量子霸权：量子计算机革命如何改变世界》
◎夏学杰
2050年的一天，你的私人机器人医生告诉你：“我有一些好消息和坏消息。坏消息是，通过分析上周废水中的细胞，我们确定你患有癌症。好消息是，我们已经找到了源头，发现只有几百个癌细胞在你的肺部生长，所以没什么好担心的。我们已经分析了癌细胞的基因，并将为你注射增强免疫系统的疫苗以战胜这种癌症。我们刚刚收到量子计算机制造的最新一批基因改造的免疫细胞，专攻这种特殊癌症。”
这是《量子霸权：量子计算机革命如何改变世界》一书中预测的未来场景。到那时，或许量子计算机通过直接分析人们的生活废水就能完成对人的全面体检。本书作者加来道雄是世界知名物理学家、科学畅销书作者、超弦理论创始人之一、纽约城市大学研究生中心理论物理学教授，著有《不可思议的物理》《人类的未来》等。在本书中，作者通过量子计算机的概念、原理及发展历程，重点讲述了量子计算机在各领域的前瞻性应用，以及给经济社会带来的变革性影响。
硅时代已接近尾声
“量子霸权”这一概念由加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔于2012年首次提出，也可翻译为“量子优越性”或“量子优势”。衡量量子计算机是否实现“量子霸权”的标准是：能比经典计算机更好地解决一个特定计算问题。
作者在书中介绍，从2019年至2020年，科学界被两个重磅发明所震撼，两个研究小组先后宣布成功发明了量子计算机：一种全新型计算机，在处理特定任务时能明显超越普通数字超级计算机。首先是谷歌宣称自己研发的量子计算机Sycamore，可以在200秒以内解决世界上最快的数字超级计算机花1万年才能完成的数学问题。麻省理工学院主办的期刊《技术评论》称谷歌的此次研发是一项重大突破，甚至将其与人造卫星的首次发射相媲美。紧随其后，中国科学院量子创新研究院宣布，自己的量子计算机比普通超级计算机快100万亿倍。
量子计算机的兴起实际上标志着硅时代开始接近尾声。作者认为，我们可能已经开始步入见证硅时代终结的阶段。硅时代之后的下一个时代，可能正是我们所说的后硅时代，或者可以直接称之为“量子时代”。
过去的半个世纪里，摩尔定律揭示了计算机行业强大的爆发规律，它也正是由英特尔的创始人戈登·摩尔提出并命名的。摩尔定律指出，计算机的计算能力每18个月就能翻一番。这个定律实际上有效追踪并描述了计算机技术的显著指数级增长。在第二次世界大战期间，计算机已经可以通过使用大量真空管进行复杂计算来破解敌对方的高级密码。第二次世界大战后，真空管升级为晶体管，而随着晶体管的体积不断实现微缩，计算机的速度和功率也实现了持续进步。
计算机的每一次转折性发展，都让之前的技术遭到创造性破坏的冲击，并最终走向被淘汰的命运。不过，摩尔定律所指出的发展规律，在现实中已经出现放缓趋势，照此下去最终将停止。其主要原因是，现在的微芯片已经非常紧凑了，最薄的晶体管层大约只有20个原子直径那样薄。而当晶体管层继续压缩到大约只有5个原子直径时，电子的位置就将变得不确定，电子可能会逃逸出来，从而导致芯片短路，或者可能会产生大量热量而进一步导致芯片熔化，晶体管层继续压缩变薄的空间已经不断收窄。换言之，根据物理定律，如果想要在主要材料为硅的基础上继续微缩，那么摩尔定律最终会面临崩溃。英特尔公司的桑贾伊·纳塔拉詹说：“我们认为，我们已经从这个体系结构中挤出了所有你认为能够挤出的空间。”
量子计算机缘何强大
作者在书中指出，原则上，成熟的量子计算机可以破解所有已知的网络代码。美国国家标准与技术研究院宣称，预计到2029年，量子计算机能破解128位AES（高级加密标准）加密，而这也是当前许多公司正在使用的加密算法。
从本质上讲，所有近现代计算机都是基于数字信息技术的，均采用一系列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始进行计算，计算出结果后再输出。1959年诺贝尔奖得主理查德·费曼观察到了一种不同的数字信息处理方法。在一次名为“底部有足够的空间”的演讲中，费曼曾提问：“为什么不考虑用原子状态取代0和1序列，从而制造出一台原子计算机呢？为什么不用尽可能小的物质——原子去代替晶体管呢？”
原子就像一个一直旋转的陀螺。在磁场中，它们的位置是相对更加灵活的，可以顺应磁场产生向上或向下排列，以此来对应于0或1的排列。数字计算机的计算能力与计算机中的位数（0或1）直接相关。原子自旋的这种规则可能导致无数种状态，从而大大增加了去描述更多数量的各种状态的可能性。原子表现出能够携带更多信息的属性，这时基本单位也不再是一个比特，而是一个量子位，即同步实现向上和向下的不同组合。数字算法下的比特单位，每次只能携带一位信息，从而限制了它们的能力。相比之下，量子位的能力几乎可以说是无限的，这是因为在原子水平上，某一个物质往往可以同时实现多种不同状态存在，这被称为“量子叠加”。量子位之间的相互作用叫作“量子纠缠”，与每一个比特都处于相对独立状态不同的是，每当增加一个新的量子位，这个量子位都会与之前的所有量子位发生相互作用，使原来的量子位之间可能发生相互作用的次数直接增加一倍。正是因为这样的内在属性，量子计算机天生就比数字计算机强大得多。
对此，作者在书中形象地总结道：“从某种意义上说，一台普通的数字计算机就像几个会计师在办公室里独立工作，每个人单独做一个计算，并将答案从一个传给另一个。但量子计算机就像一屋子相互作用的会计师，每个人同时计算，重要的是，他们通过纠缠相互通信，共同解决一个问题。”
期待开创新未来
作者表示，量子计算机有能力彻底改变世界经济，并开创量子医学时代，帮助人类治愈以前无法治愈的疾病，从而创造一个可持续发展的未来。
量子计算机可以解决数字计算机无法解决的复杂方程计算。例如，工程公司可以使用量子计算机计算飞机和汽车的空气动力学，从而找到最大限度地减少摩擦力、降低成本和最大限度地提高效率的理想状态。又如，政府可以使用量子计算机来实现对天气变化的预测，从而推算出全球变暖将如何影响未来几十年的经济和人类生活方式。
量子计算公司PsiQuantum的创始人杰里米·奥布赖恩强调，这场革命绝不仅仅是为了制造更快的计算机。恰恰相反，这场革命真正关注的是如何解决问题，比如对复杂化学反应和生物反应的模拟，这是传统计算机无论花多少时间都无法解决的问题。
使用量子计算机的最大优势是，能够实现同时对数百个重要化学过程的模拟。量子计算机能够帮助我们在原子水平上预测任何化学反应的结果，实现根本不需要使用化学物质进行相关计算的梦想。届时，生物学、医学和化学都可能将被简化成为量子力学。实现计算化学意味着我们要创建一个“虚拟实验室”，从而在量子计算机的内存中实现对新药、治疗方法的快速尝试，而不再需要经历几十年的试错，以及缓慢的实验室实验等传统方法。
微软的科学家已经首次尝试使用量子计算机来提高肥料产量，并解开了固氮的秘密。大自然的另一个奇迹是光合作用，通过光合作用，阳光和二氧化碳转化为氧气和葡萄糖，从而形成几乎所有动物生命的基础。科学家花了几十年的时间，试图从一个分子到另一个分子地梳理光合作用过程背后的所有步骤。然而，将光转化为糖的问题，探索的其实是一个量子力学过程。经过多年的努力，科学家已经分析出量子效应在光合过程中占据主导地位的部分，但是所有模拟都已经超出了传统数字计算机的计算能力范畴。因此，最优秀的化学家依然无法模拟出一种可能比天然光合作用更有效的合成光合作用。在这方面，量子计算机可能助力实现更高效的合成光合作用，那或许是一种捕捉阳光能量的全新技术方法。人类未来的粮食供应问题也可能因为这种技术方法的突破而得以解决。
物理学家玻尔说：“任何不被量子理论震惊的人都不理解它。”从计算机发展史，到量子理论的崛起，再到量子计算机的未来，作者在书中循循善诱，娓娓道来，给读者做了一次简明且生动的科普。计算机的每一次转折性发展，都让之前的技术遭到创造性破坏的冲击，并最终走向被淘汰的命运，而量子计算机的出现，无疑更具颠覆性。科技进步的成果走进寻常百姓家的速度，早已是今非昔比，了解这些前沿科技进展，不仅有助于我们更好地理解自然界的基本规律，也能让我们预见未来科技发展的可能性。
