高建國

你可能無法想象，一篇自2019年10月23日在《自然》雜志上發(fā)表以來已被引用505次（截止到2020年5月底）的論文，到底是一篇什么樣的論文。即使對于發(fā)表在《自然》這樣的頂級科技期刊上的論文來說，能在短時間內(nèi)受到如此多的引用和關(guān)注，也是不多見的。

這篇熱度極高的論文的主題是量子計算，它是一份介紹谷歌量子計算機(jī)Sycamore強(qiáng)大計算能力的研究報告。谷歌量子人工智能實驗室的科學(xué)家在該報告中稱，Sycamore僅花200秒完成的計算工作量，世界上最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計算機(jī)需要1萬年才能完成。雖然IBM的科學(xué)家后來通過算法改進(jìn)發(fā)現(xiàn)不是1萬年，而是2.5天，但這個結(jié)果對量子領(lǐng)域的科學(xué)家而言依然意義重大，它非常直觀地展現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

Sycamore或許已經(jīng)邁出了人類進(jìn)入量子計算時代的第一步。那么，量子計算機(jī)將會如何改變或重塑人類未來的生活呢？

1.瞬移

對于我們來說，理解量子力學(xué)的基本規(guī)律或?qū)傩圆⒎且资?，如量子疊加態(tài)，即一個量子系統(tǒng)可以處在不同的疊加態(tài)，著名的思想實驗“薛定諤的貓”就形象地將這種狀態(tài)表述為“一只貓可以同時既是活的又是死的”。量子力學(xué)中另一個重要概念是量子糾纏，它是指兩個微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論它們的距離有多遠(yuǎn)，對其中一個粒子的狀態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應(yīng)改變。因此，從理論上說，可以根據(jù)量子的糾纏特性實現(xiàn)任意距離的旅行。不過，如果人需要通過量子糾纏態(tài)的形式實現(xiàn)瞬移，那么這個人可能要處于既是“死”又是“活”的狀態(tài)。目前死亡依然是很多文化的禁忌，醫(yī)學(xué)上也不存在一個既是死的又是活著的人。但在量子的世界，每個人都有望成為“孫悟空”，不僅不懼生死，也能去任何地方旅行。

當(dāng)然，目前我們對生死的認(rèn)知基本上延續(xù)了過去數(shù)千年的生老病死觀。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)家大衛(wèi)·伊戈曼對人腦工作原理的理解，在未來或能自由下載或上傳我們的感知（包括任何情感、知識等）到任何一臺服務(wù)器，那么人類的延續(xù)或能徹底脫離肉身，變成電子或量子態(tài)的形式。若果真如此，人類的生死觀將會被徹底改變，瞬移將會變成我們?nèi)粘５囊徊糠郑拖駥O悟空，一個筋斗云飛出十萬八千里。民間有句俗語：“光腳的不怕穿鞋的，不要命的不怕光腳的?！碑?dāng)一個人為了做成某事可以不要命，那么不管這件事有多難達(dá)成，最終也不會有太差的結(jié)果。英國詩人迪倫·托馬斯也有一句類似的名言“死亡也并非是所向披靡”，或許唯有如此，人類才能實現(xiàn)瞬移。

2.量子藥物設(shè)計

前段時間，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)了新型抗生素分子—halicin。halicin可以對抗多種細(xì)菌，展現(xiàn)了前所未有的廣譜抗菌能力，這是人類首次完全利用人工智能發(fā)現(xiàn)的新型抗生素。發(fā)現(xiàn)halicin的過程是漫長而復(fù)雜的，科學(xué)家用到了2335個已知具有抗菌活性的分子，包括大約300種已獲批使用的抗生素和800種從植物、動物和微生物中得到的天然產(chǎn)物，最終通過深度學(xué)習(xí)模型才篩選出最終結(jié)果。這一過程如果能在量子計算機(jī)上完成，可能只是一瞬間的事情。

藥物設(shè)計面臨的最大挑戰(zhàn)往往是新型病原體的變異速度遠(yuǎn)超藥物設(shè)計速度，這導(dǎo)致很多正處于研發(fā)階段的藥物被迫終止研發(fā)。以這次肆虐全球的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）為例，導(dǎo)致高傳染、高致死的新型冠狀病毒其本質(zhì)上是一種冠狀病毒科冠狀病毒屬的普通病毒，與2003年導(dǎo)致SARS疫情的病毒差別很小，那么為什么我們不能使用之前的藥物或疫苗來對付它呢？原因是，之前的藥物藥效的發(fā)揮都有特定的病毒結(jié)合位點，當(dāng)這些結(jié)合位點改變時，藥物將不再起作用。病毒的變異是非?？斓?，一個蛋白質(zhì)外殼或DNA/RNA鏈上一個堿基的改變都會使其轉(zhuǎn)變成新的毒株。以這次的新型冠狀病毒為例，它在短短幾個月的時間內(nèi)就至少變異出北美洲、亞洲和歐洲三種類型，讓人防不勝防。如果使用量子計算機(jī)，我們或能根據(jù)病毒在不同人群中的傳播途徑，精準(zhǔn)預(yù)測它們的變異方向并提前設(shè)計出特效藥。

3.量子解密

現(xiàn)在比較火的“量子密碼學(xué)”是一門通過量子計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力進(jìn)行加密/解密的新興學(xué)科。在密碼學(xué)領(lǐng)域，著名的RSA加密算法（RSA以三位發(fā)明者的姓氏首字母命名）是一種十分可靠的加密技術(shù)，只要其密鑰的長度足夠長，用RSA加密的信息曾被認(rèn)為是不能被破解的。作為一種非對稱加密算法，目前世界上還沒有任何可靠的攻擊RSA算法的方式。但該神話將被量子計算機(jī)終結(jié)。確實，破解1024位長的RSA算法，傳統(tǒng)的計算機(jī)可能需要幾十萬年，而用一臺512個量子比特（qubits）的量子計算機(jī)理論上可以做到1秒破解。

隨著密鑰位長的增加，破解難度急速增加。不少計算機(jī)科學(xué)家認(rèn)為傳統(tǒng)計算機(jī)幾乎不可能破解出大于2048位長的RSA加密內(nèi)容，而2048位長是RSA加密最常用的基礎(chǔ)形式。但是，谷歌的科學(xué)家于2019年發(fā)表的一個研究結(jié)果顯示，使用量子計算機(jī)僅用8小時就破解了2048位長的RSA加密信息，這個運(yùn)算量對于超級計算機(jī)而言則需要80年！

怪不得有人戲稱，我們現(xiàn)在使用的計算機(jī)在量子計算機(jī)面前，充其量只是個算盤?？梢哉f，當(dāng)今世界的加密算法在量子計算機(jī)面前沒有秘密可言。不過，量子解密所破解的并非量子世界的密碼。道高一尺，魔高一丈，與量子解密這支鋒利的“矛”相抗衡的是量子加密這面厚實的“盾”。世界上幾乎所有有遠(yuǎn)見的國家都在積極開展量子加密/解密的研究，科學(xué)家們夜以繼日，正在展開激烈的角逐。毫無疑問，誰先掌握量子加密/解密的技術(shù)，誰就擁有至高無上的“量子霸權(quán)”。

4. 物種分類

看了前三個“驚心動魄”的量子計算應(yīng)用實例，你或許覺得使用量子計算機(jī)進(jìn)行物種分類是大材小用。非也。事實上，物種分類也是“大科學(xué)”，它與人類的登月計劃、基因組計劃及現(xiàn)在進(jìn)行得如火如荼的火星探索計劃一樣，都屬于大科學(xué)范疇。

如果尺度從個人擴(kuò)大到整個人類社會，量子計算機(jī)是否能夠幫助人類避免金融危機(jī)呢？人類社會的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是個極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，金融體系是牽一發(fā)而動全身，系統(tǒng)的各個因素相互關(guān)聯(lián)、制約和影響，擾動其中一個因素，就可能會產(chǎn)生無法預(yù)計的后果。例如2008年發(fā)生的金融危機(jī)，僅僅由于一家金融公司的破產(chǎn)，就產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)，引發(fā)了一場席卷全球的金融風(fēng)暴。因此，處理任何復(fù)雜系統(tǒng)，如人類的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，需要關(guān)注巨量信息。

預(yù)測一個復(fù)雜系統(tǒng)的走向，需要同時運(yùn)算海量的各類變量和參數(shù)。例如，一家不起眼的小公司的人事調(diào)整，可能影響整個金融系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這樣的小變化在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型中可能是被省略的變量，但它會被保留在量子計算機(jī)模型中，進(jìn)而測算出金融風(fēng)暴發(fā)生的概率，做到未雨綢繆。雖然量子計算機(jī)不知道一家金融公司的人事調(diào)整對整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)有多少影響，但這些信息始終被保留在量子計算機(jī)的模型中而不被浪費(fèi)掉。既然預(yù)測金融風(fēng)暴時不會浪費(fèi)信息，那么即使我們掌握的初始信息較少，它也可能比較準(zhǔn)確地測算出危機(jī)出現(xiàn)的概率，這點與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型有很大的不同，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型初始信息不多，又會浪費(fèi)很多信息，最終導(dǎo)致預(yù)測的結(jié)果與實際偏差極大。

10.重構(gòu)演化歷程

一個簡化版的人類終極三連問是“我是誰，我從哪里來，我要到哪里去”。人之所以能夠成為地球上最特別的一個物種，與我們不斷地追根究底有很大關(guān)系。從某種意義上講，對所有自然和非自然現(xiàn)象的好奇與探索塑造了我們?nèi)祟愖陨?。追根究底不是歷史學(xué)家、考古學(xué)家、人類學(xué)家、演化生物學(xué)家的責(zé)任，它是我們每個人的天性?？脊艑W(xué)家?guī)椭覀冋J(rèn)祖歸宗，獲得文化上的認(rèn)同感；人類學(xué)家通過對遠(yuǎn)古原始人遺跡的探尋不斷推進(jìn)智人的起源時間；演化生物學(xué)家甚至能根據(jù)一片貝殼包含的科學(xué)信息，解構(gòu)地球億萬年前的情景。比如，南京大學(xué)的古生物學(xué)家沈樹忠及其團(tuán)隊收集了大量的地層剖面和化石記錄，從中遴選出3112個地層剖面的26萬個數(shù)據(jù)點，重建了古生代（距今約5.4億—2.4億年前）海洋生物多樣性曲線，并利用“天河二號”超級計算機(jī)的“強(qiáng)大”算力，獲得了全新的寒武紀(jì)—三疊紀(jì)海洋生物的多樣性變化曲線，其統(tǒng)計時間分辨率約為2.6萬年。你沒有看錯，時間分辨率是2.6萬年，不是2.6年，更不是2.6天?？梢姡覀儗h(yuǎn)古時期地球生物多樣性的認(rèn)識是相當(dāng)粗糙的，主要原因之一是算力不夠。如果使用量子計算機(jī)，我們或能建立時間分辨率為年，甚至天級別的地球歷史。

重現(xiàn)地球生物物種數(shù)量的精細(xì)變化是古生物學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)，但這個目標(biāo)就目前來看如此“宏偉”以至于短期都不大可能實現(xiàn)，更遑論結(jié)合氣候變量（如溫度、太陽輻射和降水）重現(xiàn)生物演化的浩瀚歷程了。人類對顯生宙（從距今5.44億年前的寒武紀(jì)開始）大氣二氧化碳和氧氣濃度變化的認(rèn)識還是相當(dāng)粗糙的，大多數(shù)科學(xué)家使用的還是1000萬年分辨率的數(shù)據(jù)，即假定某個1000萬年的大氣氣體成分不變，這顯然是不合理的。使用量子計算機(jī)的強(qiáng)大算力（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“天河二號”），未來的科學(xué)家或能精細(xì)刻畫“年”“月”“天”，甚至“小時”級別的遠(yuǎn)古氣候參數(shù)，結(jié)合生物學(xué)數(shù)據(jù)，屆時我們才能重構(gòu)或還原一個真實的地球生命演化歷程。誠如丘吉爾所言，“你能看到多遠(yuǎn)的過去，就能看到多遠(yuǎn)的未來”，了解過去的生命演化歷程或能提供人類未來命運(yùn)的洞見，其意義非凡！

以上10個例子僅展現(xiàn)了量子計算機(jī)改變我們?nèi)粘Ｉ?、科學(xué)和認(rèn)知的一小部分，量子計算機(jī)同樣會深刻影響我們的農(nóng)業(yè)、教育、心理、可持續(xù)城市建設(shè)、超導(dǎo)體與新材料設(shè)計和人類自身的演化趨勢。例如，美國國家科學(xué)院在2019年明確提出，發(fā)展量子技術(shù)并應(yīng)用于農(nóng)作物產(chǎn)量提升和農(nóng)田管理。

愛因斯坦曾經(jīng)說過，上帝是不擲骰子的，這表達(dá)了他對量子規(guī)律的質(zhì)疑和對量子世界的不理解。量子科學(xué)后來的發(fā)展不僅證明了愛因斯坦是錯的，也遠(yuǎn)超量子領(lǐng)域先驅(qū)科學(xué)家的設(shè)想。特別是近年來中國和美國的科學(xué)家在量子通信上取得的一系列進(jìn)展，使得量子科學(xué)在本世紀(jì)應(yīng)用于大眾生活變得并不遙遠(yuǎn)。從2016年5個量子比特的計算機(jī)到2019年53個量子比特的Sycamore，人類僅花了3年時間就把量子計算機(jī)的存儲能力提升了10倍之多，未來的提升速度可能會更快。人類正在加速研究或設(shè)計具有實際應(yīng)用價值的量子計算機(jī)。正如電燈泡不是蠟燭的加強(qiáng)版一樣，無論多么強(qiáng)大的傳統(tǒng)計算機(jī)都不能與量子計算機(jī)相提并論。未來的某一天，當(dāng)我們在一臺量子計算機(jī)上寫作、做數(shù)據(jù)分析和開視頻會議的時候，我們可能根本無法想象它是如何深刻地重塑了我們的生活。

量子計算機(jī)到底能給我們帶來什么？它到底如何塑造我們的生活？我們可以基于當(dāng)下的認(rèn)知進(jìn)行大膽預(yù)測，但從量子計算發(fā)展的歷史得到的經(jīng)驗是：我們永遠(yuǎn)都不確定量子科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)會將人類帶向何方。