第一篇
量子计算机崛起

第一章
硅时代的终结

一场革命正在来临。

2019—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其实现了“量子霸权”，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。这不仅预示了一场即将改变整个计算领域的剧变，而且将颠覆我们日常生活的方方面面。

首先，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或者莱特兄弟的首次飞行相媲美，认为其开创了“让当今最强大的计算机看起来就像是算盘的计算机新时代”[1]。

紧随其后，中国科学院量子创新研究院[2]更进一步，宣称自己的量子计算机比普通超级计算机快100万亿倍。

IBM（国际商业机器公司）副总裁鲍伯·苏托尔在对量子计算机快速崛起发表相关评论时说道：“我认为这将是21世纪最重要的计算技术。”[3]

量子计算机之所以被冠以“终极计算机”称号，是因为它是技术层面带有决定性意义的一次飞跃，对整个世界都将产生深远影响。量子计算机并不是通过微小的晶体管开展计算的，而是通过更小的媒介，即原子本身，从而能够在计算能力上轻松打败当下最强大的超级计算机。量子计算机有很大可能将为我们的经济、社会以及生活方式开创一个全新的时代。

同时，量子计算机并不仅仅是一种功能十分强大的计算机器，它还代表了一种新型计算方式，可以解决数字计算机永远无法解决的问题，即使在不考虑时间限制这个维度的情况下也是如此。比如，数字计算机没有能力准确计算原子之间是如何结合并发生关键化学反应的，尤其是那些与生命科学相关的化学反应。数字计算机只能够基于一系列0和1组成的数字开展线性计算，而只基于两个数字来开展计算实在是太粗糙了，根本达不到准确描述出分子内部电子波动所需的精细程度。再如，在对迷宫中的老鼠所走过的路径开展烦琐的计算时，数字计算机是通过一条接一条地分析每一条可能路径的笨拙方式来实现的，而量子计算机则能以闪电般的速度，同时开展对所有可能路径的分析并完成计算。

量子计算机显露出的强大性能，加剧了计算机巨头之间的竞争。这些巨头都想制造出世界上最强大的量子计算机。2021年，IBM推出了自己的量子计算机“Eagle”（鹰）。Eagle的计算能力远超以往所有型号的量子计算机，处于领先地位。

但这些记录其实恰恰就像馅饼皮——只是为了打破而存在。

正因为意识到这场革命即将带来深刻影响，所以世界上许多领头雁公司都选择在这项新技术上斥以巨资，就不足为奇。谷歌、微软、英特尔、IBM、里格蒂计算公司和霍尼韦尔等无一不在开发量子计算原型机。硅谷的这些领头雁已经意识到，自己必须紧跟这场革命的步伐，否则就会被淘汰。

IBM、霍尼韦尔和里格蒂计算公司都已经在互联网上公开了自己研发的第一代量子计算机，因此公众有机会首次与量子计算亲密接触，并不断被激发出对量子计算的好奇和兴趣。人们可以通过连接互联网上的量子计算机亲自体验这场新的量子革命。比如，2016年发布的名为“IBM Q Experience”的量子计算机，就通过互联网推出了15台量子计算机供公众免费使用。三星和摩根大通也是其用户。目前，每个月约有2 000人使用量子计算机，使用者包括从小学生到教授的各大群体。

华尔街也对这项技术抱有浓厚兴趣。IonQ成为量子计算领域的第一家大型上市公司，在2021年首次公开募股（IPO）中募集了6亿美元。更令人震惊的是，资本竞争似乎比技术竞争更激烈，以至于一家名为PsiQuantum的初创公司在没有制造出任何能够看到商业价值的原型机，也没有任何产业业绩记录的情况下，其估值在华尔街一下子就飙升到了31亿美元，创造了一夜之间得到6.65亿美元的传奇故事。连商业分析师都表示，他们很少见到这种事——一家新公司仅仅靠狂热的投机浪潮以及耸人听闻的头条新闻，就能在短时间内达成如此高的商业价值。

咨询和会计公司德勤预计，量子计算机市场在21世纪20年代将达到数亿美元，而在21世纪30年代将达到数百亿美元。尽管没有人能够准确判断量子计算机究竟会在哪个时点踏入商业市场并改变整个经济格局，但相关预测一直在不断调整，以适应该领域前所未有的科学技术发明速度。针对量子计算机迅速崛起这一热潮，萨帕塔计算公司（Zapata Computing）首席执行官克里斯托弗·萨瓦的观点是：“不再有‘是’或者‘否’的问题，只是‘何时’的问题。”[4]

对此现象感兴趣的不仅仅是企业，美国国会也表现出愿意帮助启动新兴量子技术的兴趣。在意识到其他国家已经开始对量子计算机研究进行慷慨资助之后，美国国会通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act），提供种子基金以激发该领域的创新研究。该法案授权成立2~5个新的国家量子信息科学研究中心，每个中心每年可以获得8 000万美元的资助。

2021年，美国政府还宣布将在量子技术领域投资6.25亿美元，由美国能源部监管。微软、IBM和洛克希德·马丁等大公司还为该项目额外捐助了3.4亿美元。

动用政府资金来加速量子技术研究的国家不止中国和美国，英国政府目前也正在建设国家量子计算中心，计划设置在牛津郡科学技术设施委员会的哈韦尔实验室，是专门为量子计算研究而设立的。在政府推动下，截至2019年底，英国共有30家量子计算机初创公司顺利成立。

行业分析人士认识到，一场万亿美元的赌博已经开始。之所以说是一场赌博，是因为这个领域的竞争相当激烈，并且没有任何保障。尽管包括谷歌在内的公司近年来已经取得了令人印象深刻的技术成就，但距离真正造出一台能够切实可行地解决人类世界现实问题的量子计算机，还有很长的路要走。对于我们追求的量子计算机而言，艰巨的工作仍然摆在面前。一些评论家甚至宣称这可能是一场徒劳无功的追逐，但计算机公司早就想明白的是，尽管成功的可能性很小，但只要存在，它们就必须提前做好准备，否则在浪潮来临之后，自己面临的就只有被淘汰。

正如麦肯锡咨询公司的合伙人伊万·奥斯托伊奇所说的那样：“凡是量子技术最有可能彻底颠覆的行业，其相关公司都应该尽早参与到量子技术中来。”[5]同时，化学、医学、石油和天然气、运输、物流、银行、制药和网络安全等领域都已经非常成熟，均有条件开展重大变革。他补充道：“原则上，量子技术将会与所有公司及其首席信息官息息相关，因为这种技术可以加速解决与信息相关的一系列问题，所以这些公司需要成为量子能力的所有者。”

加拿大量子计算公司D-Wave Systems前任首席执行官维恩·布朗内尔则明确表示：“我们坚信，人类正处于突破经典计算所无法提供的功能的浪潮之巅。”

而科学界已经有多位科学家认同当下正步入全新时代，而这个全新时代所带来的冲击力绝不亚于当年晶体管和微芯片出现并开创时代所产生的冲击力。一些看上去甚至和计算机生产毫无关联的公司，如梅赛德斯-奔驰的母公司汽车行业巨头戴姆勒集团，也已经在这项新技术方面开展了投资，意识到量子计算机未来将会为自己在行业中的新发展铺平道路。作为奔驰竞争对手的宝马，其高管尤利乌斯·马尔恰这样写道：“我们非常荣幸研究量子计算推动汽车行业变革的潜力，并且致力于扩大工程性能的极限。”[6]其他大公司，包括大众、空中客车，也都已经成立了自己的量子计算研究部门，正在不断探索这项新技术将会如何彻底改变自己的业务。

制药公司也正密切关注着这一领域的发展，它们意识到量子计算机模拟复杂化学和生物过程的能力远远超出数字计算机。它们现在所用的专门用于测试数百万种药物的庞大设备，也许突然有一天会被在网络空间当中就能完成药物测试的“虚拟实验室”所取代。还有一些人担心，也许药剂师这个行业未来将不复存在。但药物发现领域的博主德里克·洛说：“并不是新机器会取代药剂师，而是会使用新机器的药剂师将取代不会使用新机器的同行。”[7]

瑞士日内瓦郊外有一座大型强子对撞机，它是目前世界上最大的科学机器，能够以14万亿电子伏特的能量完成质子撞击，从而模拟早期宇宙形成的条件，而即使是这样一个高精尖的大家伙，现在也在借助量子计算机来筛选堆积如山的数据。量子计算机可以在1秒钟内完成大约10亿次粒子碰撞产生的多达1万亿字节的数据的相关处理。也许真的有一天，量子计算机会揭开宇宙诞生的秘密。