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改變世界發展c這樣的設備可以幫助解決氣候變化和糧食短缺問題，或者打破互聯網。美國還是中國會先到達那里？
作者Stephen Witt
2022年12月12日
一臺量子計算機神秘地在多云的天空中盤旋，像宇宙飛船一樣忽明忽暗。
這種潛在影響被稱為“比迄今為止的任何技術都深刻”
在加利福尼亞州圣巴巴拉的郊區，果園和海洋之間，坐落著一個不起眼的倉庫，窗戶呈棕色，外部漆成暗灰色。該設施幾乎沒有標識，其名稱也沒有出現在谷歌地圖上。門上的一個小標簽上寫著“谷歌AI量子”。在里面，電腦正在從頭開始改造。
9月，實驗室的創始人哈特穆特·內文（Hartmut Neven）給了我一次參觀。內文來自德國，現年57歲，禿頂，屬于現代混合執行神秘主義者。他用科學的精確性和迷幻的喜悅來談論我們的量子未來。他穿著一件皮夾克，一件綴有紐扣的寬松亞麻襯衫，一條褲腿上有拉鏈口袋的牛仔褲，以及一雙看起來像月亮靴的維可牢運動鞋。他告訴我：“正如我的團隊所知，我從未錯過過一個燃燒人。”。
在倉庫地板的中央，一個大小和形狀都像舞廳枝形吊燈的裝置懸掛在金屬腳手架上。成捆的電纜從頂部蜿蜒穿過一系列鍍金磁盤，到達下面的處理器。處理器名為Sycamore，是一塊長方形的小瓷磚，上面布滿了幾十個端口。Sycamore利用物理學中一些最奇怪的特性來進行違背人類直覺的數學運算。一旦連接好，整個裝置就被放置在一個圓柱形冷凍室中，并冷卻一天以上。該處理器依賴于超導性，這意味著在超低溫下，它的電阻幾乎消失。當處理器周圍的溫度低于外層空間最深的空隙時，計算就可以開始了。
經典計算機使用比特語言，比特取值為0和1。像谷歌正在建造的量子計算機一樣，量子計算機使用量子位，量子位可以取值為0或1，同時也是0和1的復雜組合。因此，Qbits比bits具有指數級更強的功能，能夠執行普通bits無法執行的計算。但是，由于這種基本的變化，所有的東西都必須重新開發：硬件、軟件、編程語言，甚至程序員解決問題的方法。
在我訪問的那天，一位被谷歌稱為“量子機械師”的技術人員正在用一系列小型機床操作計算機。每個量子位都由一根專用電線控制，技術人員坐在凳子上，用手連接電線。
我們面前的量子計算機是多年研究和數億美元投資的結晶。它也幾乎不起作用。今天的量子計算機是“嘈雜的”，這意味著它們幾乎在所有嘗試中都失敗了。然而，建造它們的競賽吸引了與地球上任何科學問題一樣密集的天才。英特爾、IBM、微軟和亞馬遜也在制造量子計算機。中國政府也是如此。這場競賽的獲勝者將生產硅微芯片的繼任者，這是實現信息革命的設備。
一臺大規模的量子計算機可以破解我們當前的加密協議，實質上破壞了互聯網。大多數在線通信，包括金融交易和流行的文本消息平臺，都受到密碼密鑰的保護，傳統計算機需要數百萬年才能解密。一臺工作的量子計算機大概可以在不到一天的時間內破解一個。這只是開始。量子計算機可以開辟數學的新領域，徹底改變我們對“計算”意味著什么的觀念。它的處理能力可以刺激新工業化學品的發展，解決氣候變化和糧食短缺問題。它可以調和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的優雅理論與粒子物理學的不羈微觀世界，從而實現空間和時間的發現。“量子計算的影響將比迄今為止的任何技術都要深遠，”初創公司PsiQuantum的首席執行官杰里米·奧布賴恩（Jeremy O'Brien）最近表示。不過，首先，工程師們必須讓它運轉起來。
想象一下，兩顆鵝卵石被拋入平靜的湖中。當石頭撞擊表面時，它們會產生同心波紋，碰撞產生復雜的干涉圖案。在二十世紀初，研究電子行為的物理學家在亞原子世界中發現了類似的波狀干涉模式。這一發現導致了一個危機時刻，因為在其他條件下，同樣的當選者在接下來的幾十年里，發明家們利用量子力學的發現建立了各種技術，包括激光器和晶體管。20世紀80年代初，物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）提出建造一臺“量子計算機”，以獲得傳統方法無法計算的結果。計算機科學界的反應很溫和；早期的研究人員很難在會議上獲得一席之地。直到1994年，在新澤西州貝爾實驗室工作的數學家彼得·肖爾（Peter Shor）證明，量子計算機可以幫助破解一些最廣泛使用的加密標準，才證明了這種設備的實用性。甚至在肖爾公布結果之前，國家安全局的一位相關代表就曾與他接觸。一位美國國家安全局官員后來寫道：“這種解密能力可能會使失敗者的軍事能力變得幾乎無關緊要，其經濟也會被顛覆。”。
肖爾現在是麻省理工學院應用數學委員會主席。我八月份去那里看望過他。他狹窄的辦公室被一面墻上的一塊大黑板占據，他的書桌和桌子上堆滿了劃痕紙。角落里放著紙板箱，裝滿了肖爾潦草的手工藝品。其中一個盒子來自11年前倒閉的書商Borders。
來自紐約人的視頻
《語言的流動：戰爭創傷的翻譯》
肖爾戴著橢圓形眼鏡，他的肚子是圓的，他的頭發是羊毛和白色的，他的胡子是蓬亂的。我遇見他的那天，他正在黑板上畫六邊形，他的一只鞋被解開了。“他看起來很像發明算法的人，”他一次演講視頻上的評論寫道。
算法是一組用于計算的指令。做長除法的孩子遵循的是一種算法；模擬宇宙演化的超級計算機也是如此。將算法作為數學對象的正式研究始于二十世紀，肖爾的研究表明，有很多我們不了解的地方。實驗物理學家米歇爾·德瓦雷特（Michel Devoret）告訴我：“在算法方面，我們可能處于羅馬人對數字的水平。”。
Shor可能對算法著迷。他說：“我在深夜，在淋浴時，在任何地方都會想起它們。”。“其間，我在一張紙上潦草寫下了有趣的符號。”有時，當一個問題特別引人入勝時，肖爾不會注意到其他人在和他說話。“這對他們來說可能很煩人，”他說。“除了我的妻子。她已經習慣了。”谷歌的內文回憶道，當他闡述自己的最新研究時，他和肖爾在劍橋漫步。“他徑直穿過四條車道，”內文說。（肖爾告訴我，他的兩個女兒都被診斷出患有自閉癥。“當然，我自己也有這些特點，”他說。）
Shor最著名的算法提出使用量子位將非常大的數字“因子化”為更小的分量。我請他解釋它是如何工作的，他從黑板上擦掉了六邊形。肖爾說，分解的關鍵是識別質數，質數是只能被一和它們自己整除的整數。（五是質數。六是不能被二除三除的。）一到一百之間有二十五個質數，但隨著你數得越多，它們就越來越少了。肖爾在黑板上畫了一系列緊湊的公式，他解釋說，某些數字序列沿著數字線周期性地重復。然而，這些重復之間的距離呈指數級增長，這使得它們難以用傳統計算機計算。
肖爾然后轉向我。“好吧，這是我發現的核心，”他說。“你知道衍射光柵是什么嗎？”我承認我不知道，肖爾的眼睛因擔憂而睜大了。他開始畫一張簡單的草圖，描繪光束撞擊濾鏡，然后衍射成彩虹的顏色，他用彩色粉筆畫出了彩虹的顏色。“每種顏色的光都有一個波長，”肖爾說。“我們正在做類似的事情。這真的是一個計算衍射光柵，所以我們正在整理不同的時期。”黑板上的每種顏色代表不同的數字分組。一臺經典的計算機在觀察這些分組時，必須一次分析一個分組。量子計算機可以同時處理整個彩虹。
挑戰是用物理硬件實現Shor的理論工作。2001年，IBM的實驗物理學家試圖通過向懸浮在液體中的分子發射電磁脈沖來實現該算法。肖爾說：“我認為這臺機器的成本約為50萬美元，它告訴我們15等于5乘以3。” |
