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量子霸权之下的全球政府

谢选骏:量子霸权之下的全球政府
   
   《向由:颠覆想象的量子霸权,可能是你钱包的致命威胁》(南风窗 SouthReviews 2019年11月03日)报道:
   
    “如果你在新闻中看到有人成功制造出了量子计算机的话,你最好立刻冻结自己的信用卡。”今年4月,中科院物理所发表的一篇文章如此写道。因为,在量子计算机之下,起到保护作用的加密技术将能被轻易破解。

   
   什么是量子计算机?
   
   9月23日,NASA发表的一篇论文表明,谷歌实现了“量子霸权”。一个月后的10月24日,《自然》重新发表修订后的论文,名为《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》,正式揭开了谷歌的“量子霸权”。
   
   《自然》上77 位作者合作的重磅论文《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》,为我们揭开了谷歌 “量子霸权” 实验的全貌
   
   它有多强?举一个极端的例子,利用谷歌开发出超导量子芯片“Sycamore”,对一个53比特、20深度的电路随机采样一百万次,只需要200秒。而目前最强的经典超级计算机Summit要得到类似的结果,则需要一万年。
   
   识别模式是量子计算机的强项。对它而言,我们现在的加密技术,只是一层薄如蝉翼的“窗户纸”,能够在几秒之内成功破解。可以说,量子计算机的实现,将对如今的信息社会构成威胁。
   
   所幸的是,谷歌表示,他们只是在某个特定的计算任务上实现了量子霸权,且该问题没有任何的实用价值,我们暂时还不必去“冻结”信用卡。但毫无疑问,量子技术的实用化正式登场,它将颠覆我们对未来的想象。
   
   为什么这么强?
   
   有人用一个很精巧的比喻说:量子计算机现在所处的阶段,就如同经典计算机在上世纪50年代初的发展阶段。
   
   的确如此,甚至细节上都有对应。计算机的发明人之一冯·诺伊曼,他在验证一台早期计算机的普适性时,第一次认真地写出了一个程序,但他不是为了应用于数字处理,而是给数字进行了有效的分类。以当时的眼光看,那也没有任何的实用价值。
   
   但在今天,没人怀疑计算机是一项伟大发明。“量子计算机”同样如此,无论在量子力学理论上,还是在工程实现技术上,它都有很多难关要闯,但却被科研者们寄予了超越经典计算机的希望。
   
   量子计算机潜在的压倒性优势,在于量子本身的特殊性质。我们知道,信息学是计算机科学下的一个基础学科,最小的信息单元叫“比特”。在传统计算机中,所依赖的是设置为0或1的“位”信息,对应的值不是0就是1。
   
   量子比特的“位”却有“叠加态”,即同一个“位”的信息,可以是1,也可以是0,还可以是1与0的任意组合。
   
   简单说,量子位是一个双态量子系统(例如光子偏振态或者电子自旋态),它能处于一种用经典物理无法解释的奇妙状态:“0与1的叠加”——
   
   简单回顾一下大学物理,从1900年普朗克创立量子学说,到1925年薛定谔总结出波动力学,对物理学科是一次颠覆性的冲击。它是被实验给“逼”出来的,一批年轻的科学家发现,微观世界的“量子存在”,完全悖于我们的现实经验。
   
   比如一团自旋中的电子,它们有各自的运动方向、偏转角度,在理论上可以通过一个足够小的“孔洞”,筛选出一定偏振的电子。但实验发现,筛选过后的电子束,同样具备它们原先的运动方向、偏转角度。其“存在的状态”并不一定,而是叠加起来的。
   
   量子存在的状态叠加,最经典的模型是薛定谔猫。假设那是一只量子状态中的猫,那么它既可以是活的,也可以是死的。常识上,一只既死又活、不死不活的猫难以被人接受,但那就是量子存在的实情。
   
   量子位具备的叠加态,也就意味着每个量子位的数据存储能力能够翻倍。一台64量子位的计算机可以存储18 quintillion的数字,其中1 quintillion等于10的20次方。
   
   量子位继续增加时,系统存储的信息量就会呈指数方式增加。
   
   另一方面,通过量子纠缠,我们能够实现光速操作。对一个量子位的控制,会影响到被纠缠的量子位,也就实现了对量子位处理能力的并行控制。
   
   打个比喻说,在执行指令时,量子计算机就像实现了“影分身之术”,每个量子位都能够并列执行,导致了计算能力的大幅提升。例如,一台10量子位量子计算机可以一次处理最多的1024个可能的输入,而不是一次分析一个输入。
   
   不难看出,能够操纵的量子位越多,意味着“分身”越多,量子计算机就越强大。科学理论界的估计是,在能够操纵的量子位超过50个时,量子计算机的计算能力,将远远超过经典计算机。
   
   尽管难关重重,但诱惑很大。2011年,理论物理学家John Preskill提出了“量子霸权”的概念,根据定义,量子计算设备可以超越经典计算设备,解决后者无法解决的计算任务。在这条探索道路上,谷歌开发的“Sycamore”成为了一个里程碑事件。
   
   量子计算机的研发还在起步阶段,它的前途未可限量。在经典计算机时代,仙童公司的创始人之一摩尔在1965年预言说,每过18个月,集成电路的价格降低一半而性能增加一倍。这就是著名的“摩尔定律”。
   
   此后的半个多世纪,应验了“摩尔定律”。对今天的消费者来说,他们购买的最新型电脑,往往会比几年前的电脑有质的超越。
   
   对于量子计算机,谷歌的态度非常乐观。论文表明,他们认为量子处理器的计算能力,或许会遵从“量子摩尔定律”,意即“指数级别的、加强版本的摩尔定律”,计算能力每几年就翻一倍,或许距离有实用价值的应用只差一个创造性的算法了。
   
   论证量子霸权的过程
   
   但是,差的这一步,也是最难的一步。
   
   如前文所述,量子学说是被实验给“逼”出来的,用来解释经典理论无法解释的实验现象。它是以可观测量为依据,从而创建的学科,表明了科学界在面对微观世界的原理时,无从下力的窘境。
   
   因此,量子学说还有很多“疑难杂症”,它远远没被人类认识和掌握。创始人之一玻尔就说过:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”
   
   理论的匮乏,导致两大工程难题:一是,量子计算机指数级别的计算能力以外,它也有指数级别的出错率,如何实现它自身的纠错能力?
   
   二是,量子对外界极为敏感,轻微的外部环境改变,也会导致它的“退化”,失去了它的叠加态,出色的计算能力也就无从谈起。所以它们必须完全绝缘,目前的做法是用超低温来放慢原子的移动速度,相当不经济。
   
   谷歌的量子至尊低温恒温器内含“Sycamore”,利用超低温来放慢原子的移动速度。
   
   因为有理论实现和工程实现的两大困境,即便是最乐观的观点,也认为量子计算机距离实用至少还有5-10年。最悲观的人,则认为它遥遥无期。
   
   只是,量子学说的困境中,也可以看到好的一面。谷歌首席执行官Sundar Pichai在接受采访时说:“其实量子计算真正令人兴奋的地方在于,根据已有的物理理论,我们所处的宇宙在最根本的层面上遵循量子法则,因此早期的量子计算应用能帮助我们更好地了解宇宙的工作方式”。
   
   也就是说,量子学说与它的应用可以相互促进,帮助我们洞悉微观世界的奥秘,乃至于理解宇宙、理解生命。
   
   因此,在生命科学方面的应用,也即药物研发方面的应用,被看作量子计算机的优势之一。薛定谔在《生命是什么》中谈到,生命的来源和运作,在根本上是服从量子力学的。这涉及到分子生物学方面的知识。
   
   我们知道,生命最重要的两个基础物质是氨基酸和DNA,它们都是生物大分子。薛定谔表明,对一个系统来说,n表示它的微粒数量,1/√n即表示它的出错率。显然n越大时,系统越能精确运转而不出错。正是构成我们身体的微粒数量(n)足够大,它才能够稳定,表现为概率最大的“此时此地此身”。当然,这也导致我们不能从经验中体验到量子世界。
   
   对于生物大分子来说,薛定谔表明,它的运作是服从量子力学的,我们可以从能级跃迁、量子纠缠等理论,重新梳理化学中的“化学键”、同分异构体等概念。所以,对生命物质和过程的模拟,量子计算机显然有着先天优势。
   
   又一个“潘多拉魔盒”?
   
   时至今日,我们已经知道,新的技术并不一定带来时代的进步,至少不是它的创始者们所设想的进步。相反,它往往伴随着新的危险。
   
   比如互联网技术,初心是为了让世界去中心化、扁平化,但如今在它之上树立起了高不可攀的寡头。又比如说区块链技术,据称是要建立起信用机制,但在目前最成功的应用场景“数字货币”,却成为了圈钱工具。
   
   量子计算机虽未成熟,但对它可能发挥的益处,人们已经浮想联翩。同时它所潜在的威胁,也无不令人担忧。如前文所说,我们或将不得不去“冻结”信用卡。
   
   何况,事实已经证明,我们对未来技术的想象是很匮乏的。当它成熟时,谁有能力、有权力运行它?它会不会成为拥有者实行“降维打击”的武器呢?
   
   接受采访时,谷歌首席执行官Sundar Pichai说,开发新技术所伴随的风险断然是高的,但对于其中的一部分,我们或许能通过采用“正确的发展道路”来避免。他提到,能帮助我们实现这一效果的途径,就是“全球管理统一化和详尽的道德协议”。
   
   还有部分观点认为,当前对“量子霸权”的解读,其实有夸大嫌疑。他们认为,更正确的翻译应是“量子优势”,即量子计算机只在一些特定场景上胜过经典计算机,但在将来,两者是并存的关系。所以人们不必过分忧惧。
   
   IBM认为谷歌实际上并没有表现出量子霸权,也未充分利用超级计算机的存储能力。
   
   但是,目前已经证明,量子计算机拥有超大的存储能力和超强的运算能力,不会因为现有的场景限制,就断送它的无限可能。同样,它也不会因为无法量产、拥有者少,就从“霸权”降级为所谓“优势”。事实上,我们不得不防。
   
   早在去年12月,量子计算领域还在竞逐之际,美国国家科学院(NAS)的一份报告就表示,随着量子计算机逐渐成为可能,政府应该优先考虑潜在的后果,为网络安全面临的威胁做好准备。报告认为,鉴于代码破解机器的潜在威胁,应该立即开始准备量子安全加密方法的工作。
   
   从19世纪起,科技成为了改造世界的一双“翻云覆雨手”。在将来,或许我们能够安全落地在“正确的发展道路”,但也不排除如核威胁那样的昨日重现的可能。人们对待新技术的态度,有如对待“恋人”:怕它不来,又怕它乱来。
   
   谢选骏指出:上文只能看到量子霸权之下的自己钱包,却无法想象量子霸权之下的全球政府!而我却看到,在量子技术的霸权之下,全球政府的出现不再是难事。全球政府的出现不仅不是量子时代的难事,而且还将成为量子时代不可避免之事。

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