量子计算机有什么用？《时代》封面文章：可以解决无数问题

·量子对数据堆的独特分析能力，已经在优化数以千计油轮穿越全球的路线，帮助决定哪些ICU病人需要最紧急的护理，并在原子水平上模仿化学过程，以更好地设计新材料。它还有望增强人工智能。
·但任何颠覆者都伴随着风险，而量子已经成为国家安全的“偏头痛”。它解决问题的能力很快就会使现在所有的密码学变得过时，危及通信、金融交易，甚至军事防御。
【编者按】在电影《流浪地球2》中，550系列量子计算机出尽风头，在应对危机时起到关键作用。与电影中只有手提箱大小、可单人携带的量子计算机不同，现实中的量子计算机看起来更像一个形状复杂的吊灯，必须在严苛的环境中运行。它真的有那么强大吗？《时代》杂志最新一期发表封面文章《量子飞跃》，解释了这种计算机当前和未来的应用场景，以及大企业、政府之间在量子计算领域展开的竞争。
以下为文章编译，略有删节。

《时代》杂志最新一期发表封面文章《量子飞跃》。

建造世界上最强大计算机的秘密之一可能就在你的浴室水槽旁。
在位于纽约州韦斯切斯特（Westchester）县的IBM托马斯·J·沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center），科学家们总是随身携带一盒牙线，以防他们需要修补油桶大小的量子计算机，最新的量子计算机可以完成某些任务，其速度是你的笔记本电脑的数百万倍。
在IBM“系统一号（System One）”闪闪发光的铝罐里，有3个周长逐渐减少的圆柱体，就像一组俄罗斯套娃一样，被类似《蒙娜丽莎》的保护玻璃一样的玻璃所包围。这3个圆柱体共同包裹着一盏“吊灯”，“吊灯”中的银线通过厚重的金板层层叠叠地连接到底座的量子芯片。为了正常工作，这个芯片需要冷却到0.015开尔文——比绝对零度高一点点，比外太空还冷。大多数材料在如此剧烈的冷却下都会收缩或变脆并断裂。但事实证明，如果你需要固定不听话的马线，普通的牙线可以很好地保持其完整性。

量子计算机内的“吊灯”被设计用来将其芯片冷却到比外太空更低的温度。图片来源：TIME

“但只有未打蜡、无味的那种才行。”IBM负责量子业务的副总裁杰·甘贝塔（Jay Gambetta）说，“否则，释放的蒸气会把一切都搞乱。”
量子对数据堆的独特分析能力，已经在优化数以千计油轮穿越全球的路线，帮助决定哪些ICU病人需要最紧急的护理，并在原子水平上模仿化学过程，以更好地设计新材料。它还有望增强人工智能，有能力更好地训练算法，最终将无人驾驶汽车和无人机车队变成现实。美国国家网络总监克里斯·英格利斯（Chris Inglis）告诉《时代》，量子人工智能模拟表现出的“有效和高效程度令人难以置信”。
量子的最早采用者是资产管理公司，因为纳入量子计算几乎不需要增加管理费用，但商业用途也离我们不远了。西班牙公司Multiverse Computing已经与巴斯夫和博世等跨国客户成功开展了试点项目，显示其量子算法可以使外汇交易利润翻倍，并能找到近四倍的生产线缺陷。“量子深度学习算法与经典算法完全不同。”Multiverse的首席执行官恩里克·利萨索·奥尔莫斯（Enrique Lizaso Olmos）说， “你可以更快地训练它们，尝试更多的策略，而且它们在从大量数据中获得重要的相关性方面，表现好得多。”
从谷歌到亚马逊和阿里巴巴等科技巨头们，更不用说争夺技术优势的国家，都在竞相主导这一领域。根据国际数据公司（International Data Corp）的分析，全球量子计算产业预计将从2020年的4.12亿美元增长到2027年的86亿美元。
传统计算机依靠二进制“比特”（开关要么打开要么关闭，表示为1和0）来处理信息，而支撑量子计算的“量子比特”是微小的亚原子粒子，可以同时存在于某种比例的两种状态，就像一枚硬币在半空中旋转。这种从二元处理到多元处理的飞跃，成倍地提高了计算能力。目前最强大的超级计算机需要几年时间才能解决的复杂问题有可能在几秒钟内解决。未来的量子计算机可以在数学和科学领域开辟出迄今仍深不可测的领域，帮助解决诸如气候变化和食品安全等现存挑战。最近一连串的突破和政府投资意味着我们现在正处于量子革命的边缘。甘贝塔说：“我相信，我们在未来五年里在量子创新方面所做的工作将超过我们在过去30年里所做的。”
但任何颠覆者都伴随着风险，而量子已经成为国家安全的“偏头痛”。它解决问题的能力很快就会使现在所有的密码学变得过时，危及通信、金融交易，甚至军事防御。行业出版物《量子科技内幕（Inside Quantum Technology）》的运营经理Dan O'Shea说：“人们将量子描述为一场新的太空竞赛。（去年）10月，美国总统乔·拜登参观了IBM位于纽约州波基普西（Poughkeepsie）的量子数据中心，称量子“对我们的经济至关重要，对我们的国家安全同样重要”。在这个大国竞争的新时代，中国和美国特别执着于征服这项技术，以免失去重要的地位。“这项技术将是下一次工业革命。”科罗拉多州提供商业量子应用的Quantinuum公司的总裁兼首席运营官托尼·乌特利（Tony Uttley）说，“这就像互联网的开端，或经典计算的开端。”
传统的计算方式能让我们走到今天，也是令人惊讶的。从20世纪70年代末开拓性的Apple II到今天的智能手机和超级计算机，所有的处理器都将任务分解成二进制。但生活是如此复杂，以至于以如此初级的方式呈现信息，就像用摩斯密码演奏拉赫玛尼诺夫的协奏曲。
量子也更符合自然界的规律。分子（宇宙的组成部分）是由存在于原子中的电子结合在一起的多个原子。这些电子基本上同时占据两种状态的方式就是量子粒子的复制，通过预测药物与人体的相互作用，或物质在腐蚀下的表现，为自然科学和材料科学提供了应用。传统的制造业需要经过基于计算的猜测、通过试验和错误取得突破；通过反映自然界，量子应该能允许进步被有目的地设计出来。
当世界上最大的公司和数百家初创公司都在争相利用量子时，IBM近年来已成为行业领导者。如今，该公司拥有超过60台正常运行的量子计算机（比世界上其他公司的总和还要多），而且合作者名单中包括从埃克森美孚到索尼等几乎所有行业的巨头。对于这家成立于一个多世纪前、以生产打卡机为生的传奇公司来说，这是对技术顶峰的回归。近年来，由于没有抓住云计算和人工智能的主动权，IBM已经落后于苹果和微软等竞争对手。量子提供了一些救赎，“能再次回到顶峰真是太好了。”一位高管说，“我们曾没跳上云端，一路下滑，这不是什么秘密。”

量子芯片是非常敏感的。这个有十年历史的IBM量子处理器被用于一项实验，证明了背景微波是如何影响量子比特币的。图片来源：TIME

（去年）11月，IBM发布了其新的433个比特币的Osprey芯片（世界上最强大的量子处理器）。IBM在其开源的量子工具包Qiskit上有20多台量子计算机，该工具包迄今已被下载超过45万次。为了围绕量子建立一个产业，一些机器可以免费使用，而付费客户，如初创公司和学者，可以通过租赁的方式远程访问更强大的机器。IBM有一个大胆的路线图，今年将推出1121个量子比特的处理器，到2025年，通过创建模块化的量子电路，在同一台计算机中连接多个处理器芯片，将超过4000个量子比特。“模块化是一个很大的拐点。”IBM高级副总裁兼研究总监达里奥·吉尔（Dario Gil）说，“我们现在有办法设计出将拥有数万个量子比特币的机器。”
量子的工业用途是不可限量的。在宝马公司的慕尼黑总部，有一面墙让汽车设计师们夜不能寐。从头开始创建一个新的汽车模型至少需要四年时间。首先，设计师使用计算机辅助造型设计，勾勒出美丽与实用相结合的外观。接下来，用黏土雕刻出一个比例模型，并将其置于风洞中以评估空气动力学。在对内饰、发动机性能等作出无数决定之后，最终的测试就来了：原型车以35英里/小时的速度驶向传说中的墙壁，测试它在碰撞中的表现。如果该车不能满足各种安全标准，就会回到绘图板。
这就是量子可以通过准确预测不同形状的复杂材料在压力下的表现来提供帮助的地方。“强大的模拟碰撞测试可以在整个过程中节省6个月时间。”宝马集团战略、管理和IT安全副总裁卡斯滕·萨皮亚（Carsten Sapia）说，宝马集团已经与法国量子企业帕斯卡（Pascal）合作，“量子计算还将帮助我们在设计、最大内部空间和最佳空气动力学之间找到新的最佳状态。”
这仅仅是个开始。现代商业充满了优化问题，这些问题非常适合量子算法，可以节省时间、能源和资源。IBM公司的量子战略和应用研究总监凯蒂·皮佐拉多（Katie Pizzolato）解释说，“我们不仅仅是在打造技术，我们还必须使劳动力能使用它。”
在过去几年里，量子已经从一个脚注变成了全球安全议程的首位。迄今为止，已有17个国家制定了国家量子战略，还有4个国家正在制定这些战略。根据《量子计算报告（Quantum Computing Report）》，自20世纪80年代中期以来，中国在量子研究方面的投资估计为250亿美元。其顶级量子科学家潘建伟在2016年领导发射了世界上第一颗量子卫星，并在2021年公布了当时创纪录的56比特量子计算机。中国2021年3月公布的第十四个五年计划，将掌握量子技术作为政策重点。
作为回应，白宫在（去年）5月公布了一份《国家安全备忘录（National Security Memorandum）》，该备忘录命令所有联邦机构向后量子安全过渡，因为“对经济和国家安全有重大风险”。鉴于升级关键基础设施可能需要几十年的时间，而且与互联网相连的所有东西都具有风险，所以现在的动力是要采取行动。QuSecure公司的创始人兼首席运营官斯基普·桑泽里（Skip Sanzeri）说：“我们意识到，虽然（量子）对人类来说是美好的，但人们要做的第一件事就是将这些系统武器化。”QuSecure是一家后量子网络安全公司，被美国军方和联邦政府招募来处理可能耗资1万亿美元的网络安全升级。
不过，（美国）国防部前首席数据官大卫·斯伯克（David Spirk）担心美国有落后的风险，并呼吁对量子进行“类似曼哈顿计划”的关注。根据世界经济论坛的数据，去年全球在量子方面的支出超过300亿美元，其中中国约占一半，欧盟约占四分之一。与此同时，美国国家量子计划只花了12亿美元，与1万亿美元的国防开支总额相比，这一数字被称为“微不足道”。“这不是一个即将到来的浪潮。”他说，“它就在这里。”
这其中的赌注再高不过了。今天，几乎所有的网络安全（无论是WhatsApp信息、银行转账还是数字握手）都基于RSA，一种用于安全传输数据的非对称加密算法。但是，普通计算机需要数十亿年才能破解RSA，而快速的量子计算机只需要几个小时。（去年）12月，中国的一个科学家团队发表了一篇论文，称他们有一种量子算法，可以用372比特的计算机来破解RSA（尽管其结论存在激烈的争论）。现在，设计后量子安全的竞赛已经开始，这项工作由美国国家标准与技术研究所（NIST）负责。2016年，NIST宣布了一项比赛，让程序员提出新的后量子加密算法。结果喜忧参半：2022年7月5日宣布的入围者之一，后来被一台普通的笔记本电脑在一个多小时内被破解。
在某些方面，这已经太晚了。尽管强大到足以破解RSA的量子计算机还有几年才能公开使用，但黑客们已经在夺取和储存敏感数据，因为他们知道很快就能通过量子访问这些数据。吉尔说：“如果你不转换为量子安全的协议，就没有恢复计划。”
乌克兰的战争也给我们敲响了警钟。这是历史上第一场以网络攻击开始的热冲突。公共服务、能源网、媒体、银行、企业和非营利组织受到了网络闪电战的攻击，影响了药品、食品和救援物资的分配。现代战争和国家安全机制的基础是决策的速度和准确性。“如果你的电脑比他们的快，你就赢了，这很简单。”斯伯克说，“量子是下一个飞跃。”
围绕着量子的惶恐不安并不仅仅来自于安全风险。我们信任经典计算机，部分原因是我们可以用笔和纸来验证其计算结果。但是，量子计算机涉及如此神秘的物理学，并处理如此复杂的问题，传统的验证是非常棘手的。目前，我们可以在传统的超级计算机上模拟许多量子计算来检查结果。但很快就会有这样一个时刻，信任量子计算机将需要信任的飞跃。“现在在整个生态系统中建立信任真的很重要。”乌特利说。

量子计算机周围的玻璃外壳使IBM能够严格控制内部的温度。这对量子芯片来说至关重要，因为它的温度必须保持在绝对零度以上一点点。图片来源：TIME

例如，波音公司自2020年以来一直与IBM的量子团队合作，为其下一代飞机设计新材料。但鉴于巨大的声誉风险，该公司并不着急。波音公司负责颠覆性计算和网络的首席工程师杰伊·洛厄尔（Jay Lowell）说：“我们用来设计飞机的建模工具受到密切监控。将（量子）转化为操作代码是一个非常巨大的障碍。”
IBM非常清楚这一点。但是，通过开放其量子计算机的源代码，并欢迎来自各地的学者和企业家，该公司希望能够减轻这种犹豫。正如吉尔所说，“这是人类的一个新领域。”