量子计算机：一场改变世界的开发竞赛

这样的设备可能会帮助解决气候变化和粮食短缺问题，也可能破坏互联网。在这场竞赛中，美国和中国谁会先到达目标？

神秘的机器

在加利福尼亚州圣巴巴拉的郊区，在果园和大海之间，坐落着一个不起眼的仓库，它的窗户是棕色的，外部漆成暗灰色。该设施几乎没有标牌，其名称也没有出现在谷歌地图上。门上的小标签上写着“Google Quantum AI”。在这个仓库里，一种全新的计算机正在从头开始改造。

9月，实验室创始人Hartmut Neven带记者参观了一圈。Neven来自德国，现年57岁，已经秃顶，属于现代商务人士与神秘主义者的混合体。他谈到了量子的未来，融合了科学的精确性和迷幻的欢乐。他穿着一件皮夹克，一件宽松的亚麻衬衫，上面装饰着纽扣，一条牛仔裤，腿上有拉链口袋，脚上是一双看起来像太空靴的魔术贴式运动鞋。“正如我的团队所知，我从不错过任何一个火人节。”他说。

谷歌Quantum AI实验室创始人Hartmut Neven，图源：Google Quantum AI

在仓库地板的中间，金属脚手架上悬挂着一个大小和形状都类似舞厅吊灯的设备。电缆束从顶部通过一系列镀金盘子蜿蜒而下，到达下面的处理器。这个名为Sycamore（悬铃木）的处理器是一个长方形的小片，上面布满了几十个端口。Sycamore利用一些最奇怪的物理学特性来执行违背所有人类直觉的数学运算。一旦连接好，整个装置就会被放置在一个圆柱形冰箱内并冷却一天以上。该处理器依赖于超导性，这意味着在超低温下，它的电阻几乎消失了。当处理器周围的温度达到低于外太空最深处的温度时，计算就可以开始了。

经典计算机使用比特表达信息，取值为0和1。量子计算机——就像谷歌正在建造的那样，使用量子比特，它既可以取0或1的值，同时也可以是0和1的复杂组合。因此，量子比特比经典比特更强大，能够执行经典比特无法执行的计算。但也正是由于这种底层的变化，一切都必须重新开发：硬件、软件、编程语言，甚至程序员解决问题的方法。

在我访问的那天，一位技术人员——谷歌称之为“量子机械师”——正在使用一系列小型机床在计算机上工作。每个量子比特都由专用电线控制，技术人员站在凳子上，用手连接着线缆。

谷歌的“量子机械师”正在连接线缆，图源：Google Quantum AI

面前的量子计算机是多年研究和数亿美元投资的结晶。但它也几乎没有发挥作用。今天的量子计算机还太“嘈杂”，这意味着它们几乎在所有计算尝试中都会失败。然而，建造它们的竞赛吸引了地球上一批最顶级的天才：英特尔、IBM、微软和亚马逊也在构建量子计算机。其他国家政府也是如此。这一竞赛的获胜者将生产硅基芯片的继任者——众所周知，硅微芯片是促成信息革命的基础设备。

密码的颠覆

一台完全体的量子计算机可以破解我们当前的加密协议，从根本上破坏互联网。大多数在线通信，包括金融交易和流行的短信平台，都受到加密密钥的保护，使用经典计算机需要数百万年才能破译这些密钥，而量子计算机大概可以在不到一天的时间内破解一个。这仅仅是个开始。

量子计算机可以开辟数学的新领域，彻底改变我们对“计算”的理解。它的处理能力可以刺激新工业化学品的发展，解决气候变化和粮食短缺的问题。它还可以调和阿尔伯特·爱因斯坦优雅的相对论与不守规矩的微观世界的量子力学，从而使发现空间和时间本质成为可能。“量子计算的影响将比迄今为止的任何技术都更为深远，”初创公司PsiQuantum的首席执行官Jeremy O'Brien曾表示。不过，工程师必须首先让它工作起来。

想象一下，将两颗鹅卵石扔进平静的湖中。当石头撞击水面时，它们会产生同心波纹，这些波纹相互作用会产生复杂的干涉图案。二十世纪初，研究电子行为的物理学家在亚原子世界中发现了类似的波状干涉模式。这一发现导致了物理学的危机，因为在其他条件下，这些相同的电子表现得更像空间中的单个点，称为粒子。很快，当许多人认为这是有史以来最离奇的科学结果时，物理学家意识到，电子的行为是更像粒子还是更像波，取决于是否有人在观察它。量子力学领域诞生了。

在接下来的几十年里，发明家利用量子力学的发现来构建各种技术，包括激光和晶体管。二十世纪八十年代初期，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提议建造一台“量子计算机”，以获得用常规方法无法计算的结果。当时的计算机科学界对此反应平淡，早期的量子计算研究人员甚至很难在学术会议上获得名额。这种设备的潜力性直到1994年才得到揭示，当时在新泽西州贝尔实验室工作的数学家Peter Shor证明，量子计算机可以帮助破解一些最广泛使用的加密标准。甚至在Shor公布他的结果之前，国家安全局的一位有关代表就找到了他。

Shor现在是麻省理工学院应用数学委员会的主席，记者8月份去那里拜访过他。他狭窄的办公室被一块横跨一面墙的大黑板占据了主要空间，他的办公桌和桌子上堆满了草稿纸。角落里放着纸板箱，里面装满了Shor潦草的手工艺品。其中一个盒子来自于十一年前就倒闭的书商Borders。

Shor戴着椭圆形眼镜，肚子圆滚滚的，头发又白又绒，胡须蓬乱。我见到他的那天，他正在黑板上画六边形，一只鞋的鞋带还没有系好。“他看起来就像会发明算法的人，”在他的一个讲座视频中评论道。