量子計算機發展到什麼程度了（量子計算機有什麼用）

2023-09-23 08:39:37 3

·但任何顛覆者都伴隨著風險，而量子已經成為國家安全的「偏頭痛」。它解決問題的能力很快就會使現在所有的密碼學變得過時，危及通信、金融交易，甚至軍事防禦。

【編者按】在電影《流浪地球2》中，550系列量子計算機出盡風頭，在應對危機時起到關鍵作用。與電影中只有手提箱大小、可單人攜帶的量子計算機不同，現實中的量子計算機看起來更像一個形狀複雜的吊燈，必須在嚴苛的環境中運行。它真的有那麼強大嗎？《時代》雜誌最新一期發表封面文章《量子飛躍》，解釋了這種計算機當前和未來的應用場景，以及大企業、政府之間在量子計算領域展開的競爭。

以下為文章編譯，略有刪節。

《時代》雜誌最新一期發表封面文章《量子飛躍》。

建造世界上最強大計算機的秘密之一可能就在你的浴室水槽旁。

在位於紐約州韋斯切斯特（Westchester）縣的IBM託馬斯·J·沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center），科學家們總是隨身攜帶一盒牙線，以防他們需要修補油桶大小的量子計算機，最新的量子計算機可以完成某些任務，其速度是你的筆記本電腦的數百萬倍。

在IBM「系統一號（System One）」閃閃發光的鋁罐裡，有3個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》的保護玻璃一樣的玻璃所包圍。這3個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晶片。為了正常工作，這個晶片需要冷卻到0.015開爾文——比絕對零度高一點點，比外太空還冷。大多數材料在如此劇烈的冷卻下都會收縮或變脆並斷裂。但事實證明，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。

量子計算機內的「吊燈」被設計用來將其晶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。」IBM負責量子業務的副總裁傑·甘貝塔（Jay Gambetta）說，「否則，釋放的蒸汽會把一切都搞亂。」

量子對數據堆的獨特分析能力，已經在優化數以千計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理，並在原子水平上模仿化學過程，以更好地設計新材料。它還有望增強人工智慧，有能力更好地訓練算法，最終將無人駕駛汽車和無人機車隊變成現實。美國國家網絡總監克裡斯·英格利斯（Chris Inglis）告訴《時代》，量子人工智慧模擬表現出的「有效和高效程度令人難以置信」。

量子的最早採用者是資產管理公司，因為納入量子計算幾乎不需要增加管理費用，但商業用途也離我們不遠了。西班牙公司Multiverse Computing已經與巴斯夫和博世等跨國客戶成功開展了試點項目，顯示其量子算法可以使外匯交易利潤翻倍，並能找到近四倍的生產線缺陷。「量子深度學習算法與經典算法完全不同。」Multiverse的執行長恩裡克·利薩索·奧爾莫斯（Enrique Lizaso Olmos）說，「你可以更快地訓練它們，嘗試更多的策略，而且它們在從大量數據中獲得重要的相關性方面，表現好得多。」

從谷歌到亞馬遜和阿里巴巴等科技巨頭們，更不用說爭奪技術優勢的國家，都在競相主導這一領域。根據國際數據公司（International Data Corp）的分析，全球量子計算產業預計將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元。

傳統計算機依靠二進位「比特」（開關要麼打開要麼關閉，表示為1和0）來處理信息，而支撐量子計算的「量子比特」是微小的亞原子粒子，可以同時存在於某種比例的兩種狀態，就像一枚硬幣在半空中旋轉。這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計算能力。目前最強大的超級計算機需要幾年時間才能解決的複雜問題有可能在幾秒鐘內解決。未來的量子計算機可以在數學和科學領域開闢出迄今仍深不可測的領域，幫助解決諸如氣候變化和食品安全等現存挑戰。最近一連串的突破和政府投資意味著我們現在正處於量子革命的邊緣。甘貝塔說：「我相信，我們在未來五年裡在量子創新方面所做的工作將超過我們在過去30年裡所做的。」

但任何顛覆者都伴隨著風險，而量子已經成為國家安全的「偏頭痛」。它解決問題的能力很快就會使現在所有的密碼學變得過時，危及通信、金融交易，甚至軍事防禦。行業出版物《量子科技內幕（Inside Quantum Technology）》的運營經理Dan O'Shea說：「人們將量子描述為一場新的太空競賽。（去年）10月，美國總統喬·拜登參觀了IBM位於紐約州波基普西（Poughkeepsie）的量子數據中心，稱量子「對我們的經濟至關重要，對我們的國家安全同樣重要」。在這個大國競爭的新時代，中國和美國特別執著於徵服這項技術，以免失去重要的地位。「這項技術將是下一次工業革命。」科羅拉多州提供商業量子應用的Quantinuum公司的總裁兼營運長託尼·烏特利（Tony Uttley）說，「這就像網際網路的開端，或經典計算的開端。」

傳統的計算方式能讓我們走到今天，也是令人驚訝的。從20世紀70年代末開拓性的Apple II到今天的智慧型手機和超級計算機，所有的處理器都將任務分解成二進位。但生活是如此複雜，以至於以如此初級的方式呈現信息，就像用摩斯密碼演奏拉赫瑪尼諾夫的協奏曲。

量子也更符合自然界的規律。分子（宇宙的組成部分）是由存在於原子中的電子結合在一起的多個原子。這些電子基本上同時佔據兩種狀態的方式就是量子粒子的複製，通過預測藥物與人體的相互作用，或物質在腐蝕下的表現，為自然科學和材料科學提供了應用。傳統的製造業需要經過基於計算的猜測、通過試驗和錯誤取得突破；通過反映自然界，量子應該能允許進步被有目的地設計出來。

當世界上最大的公司和數百家初創公司都在爭相利用量子時，IBM近年來已成為行業領導者。如今，該公司擁有超過60臺正常運行的量子計算機（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的巨頭。對於這家成立於一個多世紀前、以生產打卡機為生的傳奇公司來說，這是對技術頂峰的回歸。近年來，由於沒有抓住雲計算和人工智慧的主動權，IBM已經落後於蘋果和微軟等競爭對手。量子提供了一些救贖，「能再次回到頂峰真是太好了。」一位高管說，「我們曾沒跳上雲端，一路下滑，這不是什麼秘密。」

量子晶片是非常敏感的。這個有十年歷史的IBM量子處理器被用於一項實驗，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發布了其新的433個比特的Osprey晶片（世界上最強大的量子處理器）。IBM在其開源的量子工具包Qiskit上有20多臺量子計算機，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產業，一些機器可以免費使用，而付費客戶，如初創公司和學者，可以通過租賃的方式遠程訪問更強大的機器。IBM有一個大膽的路線圖，今年將推出1121個量子比特的處理器，到2025年，通過創建模塊化的量子電路，在同一臺計算機中連接多個處理器晶片，將超過4000個量子比特。「模塊化是一個很大的拐點。」IBM高級副總裁兼研究總監達裡奧·吉爾（Dario Gil）說，「我們現在有辦法設計出將擁有數萬個量子比特的機器。」

量子的工業用途是不可限量的。在寶馬公司的慕尼黑總部，有一面牆讓汽車設計師們夜不能寐。從頭開始創建一個新的汽車模型至少需要四年時間。首先，設計師使用計算機輔助造型設計，勾勒出美麗與實用相結合的外觀。接下來，用黏土雕刻出一個比例模型，並將其置於風洞中以評估空氣動力學。在對內飾、發動機性能等作出無數決定之後，最終的測試就來了：原型車以35英裡/小時的速度駛向傳說中的牆壁，測試它在碰撞中的表現。如果該車不能滿足各種安全標準，就會回到繪圖板。

這就是量子可以通過準確預測不同形狀的複雜材料在壓力下的表現來提供幫助的地方。「強大的模擬碰撞測試可以在整個過程中節省6個月時間。」寶馬集團戰略、管理和IT安全副總裁卡斯滕·薩皮亞（Carsten Sapia）說，寶馬集團已經與法國量子企業帕斯卡（Pascal）合作，「量子計算還將幫助我們在設計、最大內部空間和最佳空氣動力學之間找到新的最佳狀態。」

這僅僅是個開始。現代商業充滿了優化問題，這些問題非常適合量子算法，可以節省時間、能源和資源。IBM公司的量子戰略和應用研究總監凱蒂·皮佐拉多（Katie Pizzolato）解釋說，「我們不僅僅是在打造技術，我們還必須使勞動力能使用它。」

在過去幾年裡，量子已經從一個腳註變成了全球安全議程的首位。迄今為止，已有17個國家制定了國家量子戰略，還有4個國家正在制定這些戰略。根據《量子計算報告（Quantum Computing Report）》，自20世紀80年代中期以來，中國在量子研究方面的投資估計為250億美元。其頂級量子科學家潘建偉在2016年領導發射了世界上第一顆量子衛星，並在2021年公布了當時創紀錄的56比特量子計算機。中國2021年3月公布的第十四個五年規劃，將掌握量子技術作為政策重點。

作為回應，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邦機構向後量子安全過渡，因為「對經濟和國家安全有重大風險」。鑑於升級關鍵基礎設施可能需要幾十年的時間，而且與網際網路相連的所有東西都具有風險，所以現在的動力是要採取行動。QuSecure公司的創始人兼營運長斯基普·桑澤裡（Skip Sanzeri）說：「我們意識到，雖然（量子）對人類來說是美好的，但人們要做的第一件事就是將這些系統武器化。」QuSecure是一家後量子網絡安全公司，被美國軍方和聯邦政府招募來處理可能耗資1萬億美元的網絡安全升級。

不過，（美國）國防部前首席數據官大衛·斯伯克（David Spirk）擔心美國有落後的風險，並呼籲對量子進行「類似曼哈頓計劃」的關注。根據世界經濟論壇的數據，去年全球在量子方面的支出超過300億美元，其中中國約佔一半，歐盟約佔四分之一。與此同時，美國國家量子計劃只花了12億美元，與1萬億美元的國防開支總額相比，這一數字被稱為「微不足道」。「這不是一個即將到來的浪潮。」他說，「它就在這裡。」

這其中的賭注再高不過了。今天，幾乎所有的網絡安全（無論是WhatsApp信息、銀行轉帳還是數字握手）都基於RSA，一種用於安全傳輸數據的非對稱加密算法。但是，普通計算機需要數十億年才能破解RSA，而快速的量子計算機只需要幾個小時。（去年）12月，中國的一個科學家團隊發表了一篇論文，稱他們有一種量子算法，可以用372比特的計算機來破解RSA（儘管其結論存在激烈的爭論）。現在，設計後量子安全的競賽已經開始，這項工作由美國國家標準與技術研究所（NIST）負責。2016年，NIST宣布了一項比賽，讓程式設計師提出新的後量子加密算法。結果喜憂參半：2022年7月5日宣布的入圍者之一，後來被一臺普通的筆記本電腦在一個多小時內被破解。

在某些方面，這已經太晚了。儘管強大到足以破解RSA的量子計算機還有幾年才能公開使用，但黑客們已經在奪取和儲存敏感數據，因為他們知道很快就能通過量子訪問這些數據。吉爾說：「如果你不轉換為量子安全的協議，就沒有恢復計劃。」

烏克蘭的戰爭也給我們敲響了警鐘。這是歷史上第一場以網絡攻擊開始的熱衝突。公共服務、能源網、媒體、銀行、企業和非營利組織受到了網絡閃電戰的攻擊，影響了藥品、食品和救援物資的分配。現代戰爭和國家安全機制的基礎是決策的速度和準確性。「如果你的電腦比他們的快，你就贏了，這很簡單。」斯伯克說，「量子是下一個飛躍。」

圍繞著量子的惶恐不安並不僅僅來自於安全風險。我們信任經典計算機，部分原因是我們可以用筆和紙來驗證其計算結果。但是，量子計算機涉及如此神秘的物理學，並處理如此複雜的問題，傳統的驗證是非常棘手的。目前，我們可以在傳統的超級計算機上模擬許多量子計算來檢查結果。但很快就會有這樣一個時刻，信任量子計算機將需要信任的飛躍。「現在在整個生態系統中建立信任真的很重要。」烏特利說。