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量子計算的量子位需要一個刻度盤，或者更準確地說，需要幾個刻度盤，每個刻度盤必須調整到特定的振幅。在亞原子尺度上實施如此精確的控制仍然是一個可怕的問題。
盡管如此，在安全專家稱之為Y2Q的那一天到來之前，保護短信、電子郵件、醫療記錄和金融交易的協議必須被刪除并替換。今年早些時候，拜登政府宣布，它正在朝著新的量子驗證加密標準邁進，該標準提供了對Shor算法的保護。實施這些計劃預計需要十多年時間，耗資數百億美元，為網絡安全專家創造了一筆財富。密碼學家布魯斯·施奈爾（Bruce Schneier）告訴我：“這和Y2K的區別在于，我們知道Y2K的實際發生日期。”。
由于預計會出現Y2Q問題，間諜機構正在存儲加密的互聯網流量，希望在不久的將來能夠讀取。負責美國后量子加密標準的數學家達斯汀·穆迪（Dustin Moody）表示：“我們看到我們的對手在復制我們的加密數據，并將其保存。”。“這絕對是一個真正的威脅。”（當我問他美國政府是否也在這樣做時，穆迪表示，他不知道。）在十年或二十年內，這個時代的大多數通訊都可能被曝光。拜登政府密碼升級的最后期限是2035年。能夠運行Shor算法的簡單版本的量子計算機最早可能在2029年出現。
量子計算研究的根本是一個被稱為“量子糾纏”的科學概念糾纏是計算核裂變對爆炸物的影響：亞原子世界的一種奇怪特性，可以用來創造前所未有的技術。如果糾纏可以在日常物體的尺度上進行，這看起來就像是一個魔術。想象一下，你和一個朋友在不看結果的情況下，扔了兩個糾纏在一起的硬幣。只有當你偷看硬幣時，硬幣翻轉的結果才會決定。如果你檢查你的硬幣，發現它朝上，你朋友的硬幣就會自動朝上。如果你的朋友看到她的四分之一露出了頭，你的四分之一現在會露出尾巴。無論你和你的朋友相距多遠，這一點都成立。如果你去德國或木星旅行，看看你的季度，你朋友的季度會立即顯示相反的結果。
如果你發現糾纏令人困惑，你并不孤單：科學界花了一個多世紀的時間才開始了解它的影響。像物理學中的許多概念一樣，糾纏最初是在愛因斯坦的一個格丹根實驗中描述的。量子力學規定，粒子的性質只有在被測量后才假定為固定值。在此之前，一個粒子同時存在于許多狀態的“疊加”中，這些狀態是用概率來描述的。（物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）提出了一個著名的思想實驗，設想了一只貓被困在一個裝有量子激活的毒藥瓶的盒子里，這只貓處于一種介于生與死之間的狀態。）這讓愛因斯坦感到不安，他在晚年一直在反對他之后的一代人的“新物理學”。1935年，他與物理學家鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）合作，揭示了量子力學中一個明顯的悖論：如果認真對待這門學科的含義，就應該有可能創造出兩個糾纏的粒子，它們之間相隔任何距離，以某種方式相互作用的速度都超過光速。愛因斯坦和他的同事們寫道：“任何合理的現實定義都不允許這樣做。”。然而，在隨后的幾十年中，量子力學的其他預測在實驗中被反復驗證，愛因斯坦的悖論被忽略了。科學歷史學家托馬斯·里克曼寫道：“由于愛因斯坦的觀點與他那個時代的普遍智慧相悖，大多數物理學家認為愛因斯坦對量子力學的敵意是衰老的標志。”。
本世紀中期的物理學家專注于粒子加速器和核彈頭；這種糾纏很少受到關注。六十年代初，北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾獨自工作，將愛因斯坦的思想實驗重新表述為一個五頁的數學論證。1964年，他將研究結果發表在晦澀難懂的《物理-菲齊卡》雜志上。在接下來的四年里，他的論文一次也沒有被引用。
1967年，哥倫比亞大學（Columbia University）研究生約翰·克勞瑟（John Clauser）在圖書館翻閱一本裝訂好的期刊時，偶然發現了貝爾的論文。克勞瑟一直在與量子力學斗爭，在獲得可接受的分數之前，他參加了三次課程。“我確信量子力學一定是錯的，”他后來說。貝爾提供的文件條款我確信量子力學一定是錯的，”他后來說。貝爾的論文為克勞瑟提供了一種方法來證明他的反對意見。在理查德·費曼（Richard Feynman）等教授的建議下，他決定進行一項實驗，證明量子力學理論是不完整的，從而為愛因斯坦辯護。1969年，克勞瑟寫信給貝爾，告知了他的意圖。貝爾高興地回答道；以前沒有人給他寫信談論他的定理。
克勞瑟搬到了加州勞倫斯伯克利國家實驗室，在那里，他幾乎沒有任何預算，就創造了世界上第一對故意糾纏的光子。當光子相距約10英尺時，他測量了它們。觀察一個光子的屬性會立即在另一個光子中產生相反的結果。克勞瑟和他的合著者斯圖爾特·弗里德曼于1972年發表了他們的發現。從克勞瑟的角度來看，這個實驗令人失望：他最終證明了愛因斯坦是錯的。最終，克勞瑟非常不情愿地接受了量子力學令人困惑的規則事實上是有效的，而愛因斯坦所認為的對人類直覺的荒謬冒犯僅僅是宇宙的運作方式。克勞瑟在2002年說：“直到今天，我都承認我仍然不懂量子力學。”。
但是克勞瑟也證明了糾纏粒子不僅僅是一個思想實驗。它們是真實的，甚至比愛因斯坦想象的還要奇怪。他們的怪異引起了物理學家尼克·赫伯特的注意，他是斯坦福大學博士和LSD愛好者，研究興趣包括心靈感應和與來世的交流。克勞瑟向赫伯特展示了他的實驗，赫伯特提出了一種機器，它可以利用糾纏比光速更快地進行通信，使用戶可以通過時間向后發送信息。赫伯特的時間機器藍圖最終被認為是不可行的，但它迫使物理學家開始認真對待糾纏。物理學家阿舍·佩雷斯（Asher Peres）在2003年回憶道：“赫伯特的錯誤論文引發了巨大的進步。”。
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最終，解決愛因斯坦悖論的辦法不是粒子發出的信號比光快；相反，一旦糾纏在一起，它們就不再是不同的物體，而是同時存在于宇宙兩個部分的一個系統。（這種現象被稱為非局域性。）自80年代以來，對糾纏的研究導致了理論和實驗物理學的不斷突破。10月，克勞瑟因其工作分享了諾貝爾物理學獎。在一份新聞稿中，諾貝爾委員會將糾纏描述為“量子力學最強大的特性”。貝爾沒有活著看到革命的完成；他于1990年去世。今天，他1964年的論文被引用了一萬七千次。
在谷歌位于圣巴巴拉的實驗室，目標是同時糾纏許多量子位。想象一下，數百枚硬幣排列成一個網絡。按照編排好的順序操縱這些硬幣可以產生驚人的數學效果。一個例子是Grover的算法，由Shor在貝爾實驗室的同事Lov Grover在90年代開發。“Grover的算法是關于非結構化搜索的，這對谷歌來說是一個很好的例子，”實驗室的創始人Neven說。“我喜歡把它想象成一個巨大的壁櫥，里面有一百萬個抽屜。”其中一個抽屜里有一個網球。一個在壁櫥里四處尋找的人，平均來說，在打開50萬個抽屜后，就會找到球。Neven說：“雖然這聽起來很神奇，但Grover的算法只需一千步就能完成。”。“我認為量子力學的全部魔力基本上可以在這里看到。”
內文的職業生涯很不穩定。他原本主修經濟學，但在參加了一場弦理論講座后改學了物理學。他獲得了專注于計算神經科學的博士學位，并被聘為南加州大學教授。當他在美國南部時，他的研究團隊贏得了美國國防部主辦的面部識別比賽。他創辦了一家名為Neven Vision的公司，該公司開發了社交媒體人臉過濾器的技術；2006年，他以4000萬美元的價格將公司賣給了谷歌。在谷歌，他從事圖像搜索和谷歌眼鏡，在公共廣播中聽到一個關于量子計算的故事后，他轉向了量子計算。他告訴我，他的最終目標是通過將量子計算機連接到某人的大腦來探索意識的起源。
Neven對面部分析技術的貢獻廣受贊賞，如果你曾經在Snapchat上假裝自己是一條狗，你就要感謝他。（你也可以感謝他對這項技術的反烏托邦應用。）你可能也會感謝他對這項技術的反烏托邦應用。）但是，在過去幾年里，在世界領先的科學期刊上發表的研究論文中，他和他的團隊還揭示了一系列小而奇特的奇跡：聚成一團的光子；其性質根據排列順序而改變的相同粒子；一種被稱為“時間晶體”的不斷變化的物質的奇異狀態。內文說：“從字面上看，有十幾種這樣的東西，每一種都和下一種一樣充滿科幻色彩。”。他告訴我，物理學家瑪麗亞·斯皮羅普洛（Maria Spiropulu）領導的一個團隊使用谷歌的量子計算機模擬了一個“全息蟲洞”，這是一個穿越時空的概念捷徑，最近這項成就登上了《自然》雜志的封面。
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谷歌發表的量子計算科學成果有時會受到其他研究人員的關注。（《自然》雜志的一位作者稱他們的蟲洞是“你能想象到的最小、最爛的蟲洞”。擁有一只名叫庫比特（Qubit）的狗的斯皮羅普洛（Spiropulu）表示贊同。“這真的很爛，”她告訴我。）“盡管進行了所有這些實驗，但我們在多大程度上真正做到了我們所聲稱的，仍然存在著巨大的爭論。”，德克薩斯大學奧斯汀分校專門研究量子計算的教授表示。“你得瞇著眼。”量子計算也不會很快取代經典方法。“量子計算機在計算方面很糟糕，”谷歌的研究科學家瑪麗莎·朱斯蒂娜說。“我們數到四。”
朱斯蒂娜是世界領先的糾纏問題專家之一。2015年，在奧地利教授安東·塞林格的實驗室工作時，她對克勞斯1972年的實驗進行了更新。10月，澤林格也被評為諾貝爾獎得主。朱斯蒂娜說：“在那之后，我收到了一堆ping，說‘祝賀你的老板獲得諾貝爾獎’。”。她談到一臺機器可能很快就能模擬復雜分子，但目前還不能做基本運算，對此她有些沮喪。她說：“這與我們日常生活中的經歷是對立的。”。“這就是為什么它如此煩人，如此美麗。”
谷歌糾纏量子比特的主要問題是它們不“容錯”。Sycamore處理器平均每千步就會出錯一次。但一個典型的實驗需要遠遠超過一千步，因此，為了獲得有意義的結果，研究人員必須運行同一程序數萬次，然后使用信號處理技術從堆積如山的數據中提煉出少量有價值的信息。如果程序員可以在處理器運行時檢查量子位的狀態，這種情況可能會得到改善，但測量疊加的量子位會迫使量子位假設一個特定的值，從而導致計算惡化。這種“測量”不需要由有意識的觀察者進行；與環境的任何數量的交互都將導致相同的崩潰。Giustina說：“讓量子比特生活在安靜、寒冷、黑暗的地方是量子計算規模化的一個基本部分。”。當谷歌的處理器遇到太陽系外的輻射時，有時會出現故障。
在量子計算的早期，研究人員擔心測量問題難以解決，但在1995年，彼得·肖爾（Peter Shor）表明，糾纏也可以用來糾正錯誤，從而改善硬件的高故障率。肖爾的研究引起了當時在莫斯科工作的理論物理學家阿列克謝·基塔耶夫的注意。1997年，Kitaev用“拓撲”量子糾錯方案改進了Shor碼。加州理工學院的理論物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）談到基塔耶夫（Kitaev），他現在是該校的教授。Preskill說：“他很有創造力，技術上也很深入。”。“他是我認識的少數幾個可以毫不猶豫地稱之為天才的人之一。”
我在他位于加州理工學院的寬敞辦公室里見到了基塔耶夫，那里幾乎空無一人。他穿著跑鞋。Kitaev告訴我，在花了一天時間思考粒子之后，他走了大約一個小時來理清思緒。在艱苦的日子里，他可能會走更長的路。在加州理工學院以北幾英里處坐落著威爾遜山，20世紀20年代，埃德溫·哈伯（Edwin Hubble）使用當時世界上最大的望遠鏡推斷宇宙正在膨脹。基塔耶夫說：“我去過威爾遜山大概一百次。”。當問題真的很棘手時，基塔耶夫會跳過威爾遜山，而是去附近的巴爾迪山徒步旅行，這是一座萬英尺高的山峰，經常被雪覆蓋。
量子計算是鮑迪山的問題。基塔耶夫說：“我在1998年預測，計算機將在30年內實現。”。“我不確定我們會成功。”Kitaev的糾錯方案是構建功能量子計算機的最有希望的方法之一，2012年，他他因其工作獲得了世界上最賺錢的科學獎突破獎。后來，谷歌聘請他為顧問。到目前為止，沒有人能夠實現他的想法。
Preskill和Kitaev一起教授加州理工學院的量子計算入門課程，他們的教室里擠滿了學生。但是，2021，亞馬遜宣布將在加州理工學院校園內開設一個大型量子計算實驗室。Preskill現在是亞馬遜學者；Kitaev仍留在谷歌。這兩位物理學家以前有相鄰的辦公室，現在在不同的建筑里工作。他們仍然是學院派，但我感覺到有些研究課題他們無法再討論。
2020年初，輝瑞公司的科學家開始生產數百種實驗藥物，用于治療新冠肺炎。那年7月，他們合成了7毫克名為PF-07321332的研究化學品，這是該公司上周生產的20種配方之一。PF-07321332一直是實驗室冰箱中的一個匿名小瓶，直到9月，實驗表明它能有效抑制大鼠體內的新冠肺炎。該化學物質隨后與另一種物質結合，并重新命名為奈瑪特韋片/利托那韋片組合包裝，這是一種藥物混合物，可將與19型冠狀病毒相關的住院人數減少約90%。奈瑪特韋片/利托那韋片組合包裝是一位救世主，但在量子計算機的幫助下，導致其開發的費力的試錯過程可能會縮短。“我們只是在猜測可以直接設計的東西，”創業公司PsiQuantum董事會成員、風險投資家彼得·巴雷特（Peter Barrett）告訴我。“我們在猜測我們的文明完全依賴的東西，但這絕不是最優的。”
容錯量子計算機應該能夠以前所未有的精度模擬工業化學品的分子行為，從而引導科學家更快地獲得結果。2019年，研究人員預測，只要有1000個容錯量子位，就可以首次準確地模擬出一種被稱為Haber Bosch過程的農業用氨生產方法。這一過程的改進將導致二氧化碳排放的大幅減少。鋰是電動汽車電池的主要成分，是一種原子序數為3的簡單元素。一臺容錯量子計算機，甚至是一臺原始的量子計算機，可能會展示如何擴展其存儲能量的能力，增加車輛的續航里程。量子計算機可用于開發可生物降解塑料或無碳航空燃料。麥肯錫咨詢公司提出的另一種用途是“模擬表面活性劑以開發更好的地毯清潔劑”。幾年前，普雷斯基爾寫道：“我們有充分的理由相信，量子計算機將能夠有效地模擬自然界中發生的任何過程。”。
我們生活的世界是宏觀尺度的。這是一個普通動力學的世界：臺球和火箭船。亞原子粒子的世界是量子尺度。這是一個奇異效應的世界：干擾、不確定性和糾纏。在這兩個世界的邊界是科學家們稱之為“納米尺度”的分子世界。在大多數情況下，分子的行為就像臺球，但如果你放大足夠近，你就會開始注意到量子效應。正是在納米尺度上，研究人員希望量子計算能夠解決其在藥物和材料設計方面的第一個有意義的問題，也許只需要幾百個容錯量子比特。分析人士預計，正是在這一學科中，量子分子化學將成為量子計算領域的第一筆真正的資金。量子物理學獲得諾貝爾獎。量子化學將開出支票。
許可使用費可能帶來的意外收獲令投資者興奮不已。除了科技巨頭，還有一批初創公司正在嘗試制造量子計算機。行業貿易刊物《量子內幕》（Quantum Insider）統計了該行業的600多家公司，另一項估計表明，全球范圍內已經投入300億美元用于開發量子技術。其中許多業務都是投機性的。總部位于馬里蘭州大學公園的IonQ去年上市，盡管幾乎沒有銷售。那里的研究人員使用“捕獲離子”方法獲得的量子位進行計算，將稀土元素鐿的原子排列成整齊的一排，然后用激光操縱它們。IonQ首席技術官金榮生（Jungsang Kim）告訴我，他的離子阱比谷歌的處理器更能保持糾纏，但他承認，隨著量子比特的增加，激光系統變得更加復雜。“改進控制器，這是我們的癥結所在，”他說。
在帕洛阿爾托的PsiQuantum，工程師們正在用光子（光的無重量粒子）制造量子比特。該公司首席科學家皮特·沙德博爾特（Pete Shadbolt）表示：“這種方法的優勢在于我們使用了現有的硅制造技術。”該公司首席科學官皮特·沙德博爾特說。“而且，我們可以在更高的溫度下運行。”PsiQuantum已經籌集了5億美元。還有其他更奇怪的方法。微軟在Kitaev工作的基礎上，試圖構建一個“拓撲”量子比特，這需要合成一個難以捉摸的粒子才能工作。英特爾正在嘗試將量子比特嵌入半導體的“硅自旋”方法。競爭導致了人才爭奪戰。金說：“如果你擁有量子物理學的高級學位，你可以進入就業市場，在三周內獲得五份工作。”。
即使是最樂觀的分析師也認為，量子計算在未來五年內不會獲得有意義的利潤，悲觀主義者警告說，這可能需要十年以上的時間。看來，很多昂貴的設備很可能會被開發出來，但卻沒有什么持久的用途。Shadbolt說：“你沿著山景城計算機歷史博物館的大廳走，你會看到一條水銀延遲線。“我喜歡思考那些建造這座建筑的人。”
即使是業內人士，也很難確定哪種方法目前處于領先地位。“‘Pivot’是硅谷對瀕死體驗的稱呼，”內文說。“但如果有一天我們看到超導量子比特被光子學等其他技術擊敗，我會心跳加速。”內文實際上似乎對競爭感到寬慰。他的實驗室很昂貴，而量子計算是在低利率時代蓬勃發展的登月項目。實驗物理學家Devoret告訴我：“由于目前的財務狀況，我們這個領域的創業公司在尋找投資者方面遇到了更多困難。”但只要亞馬遜在量子計算領域投資，谷歌也會繼續為其提供資金。此外，美國情報機構不顧市場波動，將量子解密作為優先事項，這一點也得到了國家的默許。事實上，內文最激烈的競爭不是來自私營部門，而是來自中國共產黨。谷歌前量子計算主管約翰·馬丁尼斯（John Martinis）表示，“在制造高質量量子比特方面，可以說中國領先。”
在中國科學技術大學的校園里，四種相互競爭的量子計算技術正在并行開發。在2020年發表在《科學》雜志上的一篇論文中，由科學家盧朝陽和潘建偉領導的一個團隊宣布，他們的處理器解決了一項計算任務，比最好的超級計算機快數百萬倍。潘是量子糾纏領域最大膽的研究者之一。2017年，他的團隊在西藏的一個天文臺進行了一項實驗，將兩個光子糾纏在一起，并將其中一個光子傳輸到軌道衛星。然后，科學家們使用“量子隱形傳態”技術，將地球上的第三個光子的屬性轉移到太空中
今年早些時候，盧和我通過視頻交談。他參加了一次強制性的新冠肺炎測試，匆匆趕回家，遲到了，滿身大汗。盧立即開始揭穿競爭對手的說法，甚至是他自己的努力。一個被廣泛報道的數字表明，中國已投資150億美元開發量子計算機。“我不知道這是怎么開始的，”盧說。“實際資金可能是這一數字的25%。”
陸九章的光子量子計算機無疑是世界上速度最快的計算機之一，但陸九章多次指責他的同事過度使用這項技術。在我們的電話中，他調出了一個視頻片段，一個女人試圖把十只小貓排成一行。“這是我們面臨的問題，”他說。一只小貓跑到后面，女人跑過去抓住它。“你想高精度地控制多個量子位，”盧說，“但它們應該與環境隔離得很好。”當女人換下第一只小貓時，其他幾只都逃走了。
盧警告說，量子計算機面臨著來自普通硅片的激烈競爭。最早的電子計算機，從四十年代開始，只能打敗人類。量子計算機必須證明其優于每秒可運行500萬次計算的超級計算機。他說：“我們看到的量子算法很少有指數加速的證據。”。“在很多情況下，還不清楚使用普通計算機是否更好。”盧還反駁了馬蒂尼斯關于中國制造最好量子位的說法。“事實上，我認為谷歌是領先的，”他說。
內文同意了。“明年的某個時候，我認為我們將制造第一個完全容錯的量子位，”他說。從那時起，谷歌計劃通過將處理器鏈接在一起來擴大其計算工作。我參觀的倉庫旁邊是第二個更大的空間，陽光照進了一間臥室 |
