改变世界发展c这样的设备可以帮助解决气候变化和粮食短缺问题，或者打破互联网。美国还是中国会先到达那里？

作者Stephen Witt

2022年12月12日

一台量子计算机神秘地在多云的天空中盘旋，像宇宙飞船一样忽明忽暗。

这种潜在影响被称为“比迄今为止的任何技术都深刻”

在加利福尼亚州圣巴巴拉的郊区，果园和海洋之间，坐落着一个不起眼的仓库，窗户呈棕色，外部漆成暗灰色。该设施几乎没有标识，其名称也没有出现在谷歌地图上。门上的一个小标签上写着“谷歌AI量子”。在里面，电脑正在从头开始改造。

9月，实验室的创始人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）给了我一次参观。内文来自德国，现年57岁，秃顶，属于现代混合执行神秘主义者。他用科学的精确性和迷幻的喜悦来谈论我们的量子未来。他穿着一件皮夹克，一件缀有纽扣的宽松亚麻衬衫，一条裤腿上有拉链口袋的牛仔裤，以及一双看起来像月亮靴的维可牢运动鞋。他告诉我：“正如我的团队所知，我从未错过过一个燃烧人。”。

在仓库地板的中央，一个大小和形状都像舞厅枝形吊灯的装置悬挂在金属脚手架上。成捆的电缆从顶部蜿蜒穿过一系列镀金磁盘，到达下面的处理器。处理器名为Sycamore，是一块长方形的小瓷砖，上面布满了几十个端口。Sycamore利用物理学中一些最奇怪的特性来进行违背人类直觉的数学运算。一旦连接好，整个装置就被放置在一个圆柱形冷冻室中，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。当处理器周围的温度低于外层空间最深的空隙时，计算就可以开始了。

经典计算机使用比特语言，比特取值为0和1。像谷歌正在建造的量子计算机一样，量子计算机使用量子位，量子位可以取值为0或1，同时也是0和1的复杂组合。因此，Qbits比bits具有指数级更强的功能，能够执行普通bits无法执行的计算。但是，由于这种基本的变化，所有的东西都必须重新开发：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，一位被谷歌称为“量子机械师”的技术人员正在用一系列小型机床操作计算机。每个量子位都由一根专用电线控制，技术人员坐在凳子上，用手连接电线。

我们面前的量子计算机是多年研究和数亿美元投资的结晶。它也几乎不起作用。今天的量子计算机是“嘈杂的”，这意味着它们几乎在所有尝试中都失败了。然而，建造它们的竞赛吸引了与地球上任何科学问题一样密集的天才。英特尔、IBM、微软和亚马逊也在制造量子计算机。中国政府也是如此。这场竞赛的获胜者将生产硅微芯片的继任者，这是实现信息革命的设备。

一台大规模的量子计算机可以破解我们当前的加密协议，实质上破坏了互联网。大多数在线通信，包括金融交易和流行的文本消息平台，都受到密码密钥的保护，传统计算机需要数百万年才能解密。一台工作的量子计算机大概可以在不到一天的时间内破解一个。这只是开始。量子计算机可以开辟数学的新领域，彻底改变我们对“计算”意味着什么的观念。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问题。它可以调和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的优雅理论与粒子物理学的不羁微观世界，从而实现空间和时间的发现。“量子计算的影响将比迄今为止的任何技术都要深远，”初创公司PsiQuantum的首席执行官杰里米·奥布赖恩（Jeremy O'Brien）最近表示。不过，首先，工程师们必须让它运转起来。

想象一下，两颗鹅卵石被抛入平静的湖中。当石头撞击表面时，它们会产生同心波纹，碰撞产生复杂的干涉图案。在二十世纪初，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。这一发现导致了一个危机时刻，因为在其他条件下，同样的当选者在接下来的几十年里，发明家们利用量子力学的发现建立了各种技术，包括激光器和晶体管。20世纪80年代初，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提出建造一台“量子计算机”，以获得传统方法无法计算的结果。计算机科学界的反应很温和；早期的研究人员很难在会议上获得一席之地。直到1994年，在新泽西州贝尔实验室工作的数学家彼得·肖尔（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，才证明了这种设备的实用性。甚至在肖尔公布结果之前，国家安全局的一位相关代表就曾与他接触。一位美国国家安全局官员后来写道：“这种解密能力可能会使失败者的军事能力变得几乎无关紧要，其经济也会被颠覆。”。

肖尔现在是麻省理工学院应用数学委员会主席。我八月份去那里看望过他。他狭窄的办公室被一面墙上的一块大黑板占据，他的书桌和桌子上堆满了划痕纸。角落里放着纸板箱，装满了肖尔潦草的手工艺品。其中一个盒子来自11年前倒闭的书商Borders。

来自纽约人的视频

《语言的流动：战争创伤的翻译》

肖尔戴着椭圆形眼镜，他的肚子是圆的，他的头发是羊毛和白色的，他的胡子是蓬乱的。我遇见他的那天，他正在黑板上画六边形，他的一只鞋被解开了。“他看起来很像发明算法的人，”他一次演讲视频上的评论写道。

算法是一组用于计算的指令。做长除法的孩子遵循的是一种算法；模拟宇宙演化的超级计算机也是如此。将算法作为数学对象的正式研究始于二十世纪，肖尔的研究表明，有很多我们不了解的地方。实验物理学家米歇尔·德瓦雷特（Michel Devoret）告诉我：“在算法方面，我们可能处于罗马人对数字的水平。”。

Shor可能对算法着迷。他说：“我在深夜，在淋浴时，在任何地方都会想起它们。”。“其间，我在一张纸上潦草写下了有趣的符号。”有时，当一个问题特别引人入胜时，肖尔不会注意到其他人在和他说话。“这对他们来说可能很烦人，”他说。“除了我的妻子。她已经习惯了。”谷歌的内文回忆道，当他阐述自己的最新研究时，他和肖尔在剑桥漫步。“他径直穿过四条车道，”内文说。（肖尔告诉我，他的两个女儿都被诊断出患有自闭症。“当然，我自己也有这些特点，”他说。）

Shor最著名的算法提出使用量子位将非常大的数字“因子化”为更小的分量。我请他解释它是如何工作的，他从黑板上擦掉了六边形。肖尔说，分解的关键是识别质数，质数是只能被一和它们自己整除的整数。（五是质数。六是不能被二除三除的。）一到一百之间有二十五个质数，但随着你数得越多，它们就越来越少了。肖尔在黑板上画了一系列紧凑的公式，他解释说，某些数字序列沿着数字线周期性地重复。然而，这些重复之间的距离呈指数级增长，这使得它们难以用传统计算机计算。

肖尔然后转向我。“好吧，这是我发现的核心，”他说。“你知道衍射光栅是什么吗？”我承认我不知道，肖尔的眼睛因担忧而睁大了。他开始画一张简单的草图，描绘光束撞击滤镜，然后衍射成彩虹的颜色，他用彩色粉笔画出了彩虹的颜色。“每种颜色的光都有一个波长，”肖尔说。“我们正在做类似的事情。这真的是一个计算衍射光栅，所以我们正在整理不同的时期。”黑板上的每种颜色代表不同的数字分组。一台经典的计算机在观察这些分组时，必须一次分析一个分组。量子计算机可以同时处理整个彩虹。

挑战是用物理硬件实现Shor的理论工作。2001年，IBM的实验物理学家试图通过向悬浮在液体中的分子发射电磁脉冲来实现该算法。肖尔说：“我认为这台机器的成本约为50万美元，它告诉我们15等于5乘以3。”