量子計算機如何重塑人類未來

你可能無法想像，一篇自2019年10月23日在《自然》雜誌上發表以來已被引用505次（截止到2020年5月底）的論文，到底是一篇什麼樣的論文。即使對於發表在《自然》這樣的頂級科技期刊上的論文來說，能在短時間內受到如此多的引用和關注，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Sycamore強大計算能力的研究報告。谷歌量子人工智慧實驗室的科學家在該報告中稱，Sycamore僅花200秒完成的計算工作量，世界上最強大的傳統計算機需要1萬年才能完成。雖然IBM的科學家後來通過算法改進發現不是1萬年，而是2.5天，但這個結果對量子領域的科學家而言依然意義重大，它非常直觀地展現了「量子優越性」。

Sycamore或許已經邁出了人類進入量子計算時代的第一步。那麼，量子計算機將會如何改變或重塑人類未來的生活呢？

1.瞬移

對於我們來說，理解量子力學的基本規律或屬性並非易事，如量子疊加態，即一個量子系統可以處在不同的疊加態，著名的思想實驗「薛丁格的貓」就形象地將這種狀態表述為「一隻貓可以同時既是活的又是死的」。量子力學中另一個重要概念是量子糾纏，它是指兩個微觀粒子處於糾纏態，不論它們的距離有多遠，對其中一個粒子的狀態做任何改變，另一個會立刻感受到，並做相應改變。因此，從理論上說，可以根據量子的糾纏特性實現任意距離的旅行。不過，如果人需要通過量子糾纏態的形式實現瞬移，那麼這個人可能要處於既是「死」又是「活」的狀態。目前死亡依然是很多文化的禁忌，醫學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。

當然，目前我們對生死的認知基本上延續了過去數千年的生老病死觀。根據神經生物學家大衛·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）到任何一臺伺服器，那麼人類的延續或能徹底脫離肉身，變成電子或量子態的形式。若果真如此，人類的生死觀將會被徹底改變，瞬移將會變成我們日常的一部分，就像孫悟空，一個筋鬥雲飛出十萬八千裡。民間有句俗語：「光腳的不怕穿鞋的，不要命的不怕光腳的。」當一個人為了做成某事可以不要命，那麼不管這件事有多難達成，最終也不會有太差的結果。英國詩人迪倫·託馬斯也有一句類似的名言「死亡也並非是所向披靡」，或許唯有如此，人類才能實現瞬移。

2.量子藥物設計

前段時間，美國麻省理工學院的科學家用深度學習模型發現了新型抗生素分子—halicin。halicin可以對抗多種細菌，展現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慧發現的新型抗生素。發現halicin的過程是漫長而複雜的，科學家用到了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物，最終通過深度學習模型才篩選出最終結果。這一過程如果能在量子計算機上完成，可能只是一瞬間的事情。

藥物設計面臨的最大挑戰往往是新型病原體的變異速度遠超藥物設計速度，這導致很多正處於研發階段的藥物被迫終止研發。以這次肆虐全球的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）為例，導致高傳染、高致死的新型冠狀病毒其本質上是一種冠狀病毒科冠狀病毒屬的普通病毒，與2003年導致SARS疫情的病毒差別很小，那麼為什麼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揮都有特定的病毒結合位點，當這些結合位點改變時，藥物將不再起作用。病毒的變異是非常快的，一個蛋白質外殼或DNA/RNA鏈上一個鹼基的改變都會使其轉變成新的毒株。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，我們或能根據病毒在不同人群中的傳播途徑，精準預測它們的變異方向並提前設計出特效藥。

3.量子解密

現在比較火的「量子密碼學」是一門通過量子計算機強大的計算能力進行加密/解密的新興學科。在密碼學領域，著名的RSA加密算法（RSA以三位發明者的姓氏首字母命名）是一種十分可靠的加密技術，只要其密鑰的長度足夠長，用RSA加密的信息曾被認為是不能被破解的。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終結。確實，破解1024位長的RSA算法，傳統的計算機可能需要幾十萬年，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。不少計算機科學家認為傳統計算機幾乎不可能破解出大於2048位長的RSA加密內容，而2048位長是RSA加密最常用的基礎形式。但是，谷歌的科學家於2019年發表的一個研究結果顯示，使用量子計算機僅用8小時就破解了2048位長的RSA加密信息，這個運算量對於超級計算機而言則需要80年！

怪不得有人戲稱，我們現在使用的計算機在量子計算機面前，充其量只是個算盤。可以說，當今世界的加密算法在量子計算機面前沒有秘密可言。不過，量子解密所破解的並非量子世界的密碼。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見的國家都在積極開展量子加密/解密的研究，科學家們夜以繼日，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，誰就擁有至高無上的「量子霸權」。

4. 物種分類

看了前三個「驚心動魄」的量子計算應用實例，你或許覺得使用量子計算機進行物種分類是大材小用。非也。事實上，物種分類也是「大科學」，它與人類的登月計劃、基因組計劃及現在進行得如火如荼的火星探索計劃一樣，都屬於大科學範疇。

谷歌的量子計算機—Sycamore，為了減少幹擾保證準確率，需要在接近絕對零度（-273.15°C）的環境中運行

傳統的植物分類確實可能只需要一支筆、一張紙或一根登山杆，但現在我們早已進入基因時代，一個物種的系統演化位置不應該僅由其形態學上的特徵決定，還應包括遺傳序列、表型、蛋白表達等其他生理生化信息。現在的問題是，當分子生物學研究結果與傳統形態分類系統相衝突時，大多數科學家（包括分子生物學家）都會站在傳統形態學這方，可見我們對分類或物種的了解是多麼有限。通過量子計算機整合基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組和表型組的多套數據重新定義一個物種，可能是未來的研究重點和難點。

遺憾的是，雖然物種分類學是一門歷史悠久的學科，但是目前科學家依然不能確定地球上到底有多少物種。據估計，物種的數量介於500萬到5000萬。如此之多的動物、植物、真菌、細菌和病毒，它們的關係到底是什麼，它們到底存在怎樣的演化關係，一直懸而未決。這些基礎科學難題或能通過量子計算機找到一些答案。

5.天氣預報

「天氣預報是世界難題」，這點從過去沒有計算機的年代到現在有超級計算機做大量運算的時代一直是成立的。如果你想知道未來一周的天氣情況，天氣預報還是比較可靠的，準確率可達80%；如果時間縮短到5天，準確率則高達90%；未來3天或3天以內的天氣幾乎是100%的預報準確率。但這樣的準確率不是通過天數的增減可以線性推演的，如果預測10天後的天氣，準確率不會降到65%，而是50%或更低；如果預測一個月以後的天氣狀況，即使使用世界上最強大的計算機也幾乎是不可能的。天氣預報看似簡單，實際上是一個浩大的系統工程，裡面牽涉到大量的運算。預報的每個環節都存在某些不確定性，當這些不確定性疊加在一起就會使預報結果變得沒有意義。天氣預報不準，從本質上講是我們對地球天氣系統的認知還十分有限，另外一個原因是算力不夠。如果使用量子計算機或能大幅提高對天氣系統的實時測算能力，將大幅提高預報準確率並延長預報天數。以颱風預報為例，我們現在雖能預測颱風的路徑，但對颱風強度的預測能力相當有限，而有時颱風強度可能是更有意義的天氣參數。

6.量子自動駕駛

多年前科研工作者就在試驗環境中實現了自動駕駛，但是直到現在，完全自動駕駛汽車也未普及，主要原因之一是人們對其安全性的顧慮。

駕駛的安全性本質上是技術的安全性。如果我們對每個街道轉角、每寸道路狀況、每時每刻周遭的人流和車流都能精確測量和計算，我們就能做到技術上的安全。一個安全和舒適的駕駛場景包含的要素有天氣、路面環境、人流和物流等，而對這些要素同時進行測量和運算是需要消耗大量算力資源的。如果在汽車上配備一臺量子計算機，這些問題便可能迎刃而解。未來，使用量子自動駕駛技術在小區停車時，你可以精確控制汽車之間的間隔，比如，停在間距3.14 釐米處，這貌似是「強迫症」的福音。當然，量子自動駕駛最大的好處是有可能達到「零交通事故」。考慮到全球每年數以百萬計的人死於交通事故，量子自動駕駛或許是迫使人們加速研發量子計算機的強勁驅動力。

7.量子輔助設計

當下，即使對於一個訓練有素的設計師而言，要完成一個設計作品，依然需要進行一系列的設計流程，如手繪底稿、渲染和無止盡的反覆修改。未來的量子計算輔助設計將重新定義設計師，重新定義設計這個行業。

量子計算輔助設計需要通過某種電極連接人腦和量子計算機，將人腦所想畫面呈現於屏幕上，然後通過一些簡單的選擇，即可完成具備專業水準的設計，即「所想即所見，所見即所得」。不管你是否掌握設計作圖軟體，每個人都有可能成為頂級設計師。

8.量子機器人

機器人在未來的半個世紀或100年可能會徹底重塑人類社會，這是被很多人工智慧專家和未來學家所推崇的觀點。機器人可以幫助人們完成很多人類不願從事或根本無法完成的工作，如清理核廢料，作為先遣隊在火星上搭建人類居所，潛入深海採集巖石標本，等等。目前人們已經使用的機器人，從本質上來講是機器，離「人」的概念還有很大差距。如，目前雖然有一些機器人管家、機器人保姆或機器人伴侶在服務人類，但它們從本質上來講只是完成了一個人（既是生物人也是社會人）所能完成的部分工作。如果說未來的人工智慧能夠在某些方面使機器變得像人類，那麼量子計算機則能使這個機器人變得「活靈活現」和「古靈精怪」，甚至會變成一個有趣的人、一個脫離低級趣味的人、一個純粹的人。至此，人與機器人的界線將變得模糊。

9. 量子財務管理

人生總少不了坎坷，幾乎每個人都遇到過財務問題，有人甚至會遭遇個人或家庭的財務危機，有時可能並不是掙得少或花得多，而是運氣不好或沒能抵制住商家的誘惑而過度消費。回想過去的一年，你到底花了多少錢買了多少幾乎從來沒有用過的東西？

量入為出是一種優良的財務管理策略，它一方面提示我們要儘量增加收入、合理投資，另一方面提示我們儘可能減少開支、避免浪費。那麼，該如何快速增加收入呢？你可能會想到買彩票、買股票和基金，也許你還會想：要是有了量子計算機，就可以準確地預測股票走勢，算出彩票中獎號碼，押對有潛力的基金，迅速實現財務自由；通過手機內嵌的量子財務軟體可以回絕商家的推薦，避免過度消費。但這只是一廂情願的假想，因為這是使用量子世界的算力資源攫取當今物理世界的財富，這種「以高技術打低技術」的做法可能只存在於科幻世界裡，在未來的量子世界裡必然會進化出「量子基金」「量子彩票」「量子股票」和「量子推薦」，最終變成一個協同演變的絕佳案例，本質上類似「軍備競賽」，個人依然不可能從其所處時代的技術環境中輕易獲得大量財富。

如果尺度從個人擴大到整個人類社會，量子計算機是否能夠幫助人類避免金融危機呢？人類社會的經濟系統是個極為複雜的網絡，金融體系是牽一髮而動全身，系統的各個因素相互關聯、制約和影響，擾動其中一個因素，就可能會產生無法預計的後果。例如2008年發生的金融危機，僅僅由於一家金融公司的破產，就產生了連鎖反應，引發了一場席捲全球的金融風暴。因此，處理任何複雜系統，如人類的經濟系統，需要關注巨量信息。

預測一個複雜系統的走向，需要同時運算海量的各類變量和參數。例如，一家不起眼的小公司的人事調整，可能影響整個金融系統的穩定性，這樣的小變化在傳統經濟學模型中可能是被省略的變量，但它會被保留在量子計算機模型中，進而測算出金融風暴發生的概率，做到未雨綢繆。雖然量子計算機不知道一家金融公司的人事調整對整個經濟系統有多少影響，但這些信息始終被保留在量子計算機的模型中而不被浪費掉。既然預測金融風暴時不會浪費信息，那麼即使我們掌握的初始信息較少，它也可能比較準確地測算出危機出現的概率，這點與傳統經濟學模型有很大的不同，傳統經濟學模型初始信息不多，又會浪費很多信息，最終導致預測的結果與實際偏差極大。

10.重構演化歷程

一個簡化版的人類終極三連問是「我是誰，我從哪裡來，我要到哪裡去」。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係。從某種意義上講，對所有自然和非自然現象的好奇與探索塑造了我們人類自身。追根究底不是歷史學家、考古學家、人類學家、演化生物學家的責任，它是我們每個人的天性。考古學家幫助我們認祖歸宗，獲得文化上的認同感；人類學家通過對遠古原始人遺蹟的探尋不斷推進智人的起源時間；演化生物學家甚至能根據一片貝殼包含的科學信息，解構地球億萬年前的情景。比如，南京大學的古生物學家沈樹忠及其團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26萬個數據點，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，並利用「天河二號」超級計算機的「強大」算力，獲得了全新的寒武紀—三疊紀海洋生物的多樣性變化曲線，其統計時間解析度約為2.6萬年。你沒有看錯，時間解析度是2.6萬年，不是2.6年，更不是2.6天。可見，我們對遠古時期地球生物多樣性的認識是相當粗糙的，主要原因之一是算力不夠。如果使用量子計算機，我們或能建立時間解析度為年，甚至天級別的地球歷史。

重現地球生物物種數量的精細變化是古生物學家孜孜以求的目標，但這個目標就目前來看如此「宏偉」以至於短期都不大可能實現，更遑論結合氣候變量（如溫度、太陽輻射和降水）重現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開始）大氣二氧化碳和氧氣濃度變化的認識還是相當粗糙的，大多數科學家使用的還是1000萬年解析度的數據，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。使用量子計算機的強大算力（遠遠超過「天河二號」），未來的科學家或能精細刻畫「年」「月」「天」，甚至「小時」級別的遠古氣候參數，結合生物學數據，屆時我們才能重構或還原一個真實的地球生命演化歷程。誠如邱吉爾所言，「你能看到多遠的過去，就能看到多遠的未來」，了解過去的生命演化歷程或能提供人類未來命運的洞見，其意義非凡！

以上10個例子僅展現了量子計算機改變我們日常生活、科學和認知的一小部分，量子計算機同樣會深刻影響我們的農業、教育、心理、可持續城市建設、超導體與新材料設計和人類自身的演化趨勢。例如，美國國家科學院在2019年明確提出，發展量子技術並應用於農作物產量提升和農田管理。

愛因斯坦曾經說過，上帝是不擲骰子的，這表達了他對量子規律的質疑和對量子世界的不理解。量子科學後來的發展不僅證明了愛因斯坦是錯的，也遠超量子領域先驅科學家的設想。特別是近年來中國和美國的科學家在量子通信上取得的一系列進展，使得量子科學在本世紀應用於大眾生活變得並不遙遠。從2016年5個量子比特的計算機到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計具有實際應用價值的量子計算機。正如電燈泡不是蠟燭的加強版一樣，無論多麼強大的傳統計算機都不能與量子計算機相提並論。未來的某一天，當我們在一臺量子計算機上寫作、做數據分析和開視頻會議的時候，我們可能根本無法想像它是如何深刻地重塑了我們的生活。

量子計算機到底能給我們帶來什麼？它到底如何塑造我們的生活？我們可以基於當下的認知進行大膽預測，但從量子計算發展的歷史得到的經驗是：我們永遠都不確定量子科學上的發現會將人類帶向何方。