量子计算的量子位需要一个刻度盘，或者更准确地说，需要几个刻度盘，每个刻度盘必须调整到特定的振幅。在亚原子尺度上实施如此精确的控制仍然是一个可怕的问题。

尽管如此，在安全专家称之为Y2Q的那一天到来之前，保护短信、电子邮件、医疗记录和金融交易的协议必须被删除并替换。​今年早些时候，拜登政府宣布，它正在朝着新的量子验证加密标准迈进，该标准提供了对Shor算法的保护。实施这些计划预计需要十多年时间，耗资数百亿美元，为网络安全专家创造了一笔财富。密码学家布鲁斯·施奈尔（Bruce Schneier）告诉我：“这和Y2K的区别在于，我们知道Y2K的实际发生日期。”。

由于预计会出现Y2Q问题，间谍机构正在存储加密的互联网流量，希望在不久的将来能够读取。负责美国后量子加密标准的数学家达斯汀·穆迪（Dustin Moody）表示：“我们看到我们的对手在复制我们的加密数据，并将其保存。”。“这绝对是一个真正的威胁。”（当我问他美国政府是否也在这样做时，穆迪表示，他不知道。）在十年或二十年内，这个时代的大多数通讯都可能被曝光。拜登政府密码升级的最后期限是2035年。能够运行Shor算法的简单版本的量子计算机最早可能在2029年出现。

量子计算研究的根本是一个被称为“量子纠缠”的科学概念​​纠缠是计算核裂变对爆炸物的影响：亚原子世界的一种奇怪特性，可以用来创造前所未有的技术。如果纠缠可以在日常物体的尺度上进行，这看起来就像是一个魔术。想象一下，你和一个朋友在不看结果的情况下，扔了两个纠缠在一起的硬币。只有当你偷看硬币时，硬币翻转的结果才会决定。如果你检查你的硬币，发现它朝上，你朋友的硬币就会自动朝上。如果你的朋友看到她的四分之一露出了头，你的四分之一现在会露出尾巴。无论你和你的朋友相距多远，这一点都成立。如果你去德国或木星旅行，看看你的季度，你朋友的季度会立即显示相反的结果。

如果你发现纠缠令人困惑，你并不孤单：科学界花了一个多世纪的时间才开始了解它的影响。像物理学中的许多概念一样，纠缠最初是在爱因斯坦的一个格丹根实验中描述的。量子力学规定，粒子的性质只有在被测量后才假定为固定值。在此之前，一个粒子同时存在于许多状态的“叠加”中，这些状态是用概率来描述的。（物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出了一个著名的思想实验，设想了一只猫被困在一个装有量子激活的毒药瓶的盒子里，这只猫处于一种介于生与死之间的状态。）这让爱因斯坦感到不安，他在晚年一直在反对他之后的一代人的“新物理学”。1935年，他与物理学家鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）合作，揭示了量子力学中一个明显的悖论：如果认真对待这门学科的含义，就应该有可能创造出两个纠缠的粒子，它们之间相隔任何距离，以某种方式相互作用的速度都超过光速。爱因斯坦和他的同事们写道：“任何合理的现实定义都不允许这样做。”。然而，在随后的几十年中，量子力学的其他预测在实验中被反复验证，爱因斯坦的悖论被忽略了。科学历史学家托马斯·里克曼写道：“由于爱因斯坦的观点与他那个时代的普遍智慧相悖，大多数物理学家认为爱因斯坦对量子力学的敌意是衰老的标志。”。

本世纪中期的物理学家专注于粒子加速器和核弹头；这种纠缠很少受到关注。六十年代初，北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔独自工作，将爱因斯坦的思想实验重新表述为一个五页的数学论证。1964年，他将研究结果发表在晦涩难懂的《物理-菲齐卡》杂志上。在接下来的四年里，他的论文一次也没有被引用。

1967年，哥伦比亚大学（Columbia University）研究生约翰·克劳瑟（John Clauser）在图书馆翻阅一本装订好的期刊时，偶然发现了贝尔的论文。克劳瑟一直在与量子力学斗争，在获得可接受的分数之前，他参加了三次课程。“我确信量子力学一定是错的，”他后来说。贝尔提供的文件条款我确信量子力学一定是错的，”他后来说。贝尔的论文为克劳瑟提供了一种方法来证明他的反对意见。在理查德·费曼（Richard Feynman）等教授的建议下，他决定进行一项实验，证明量子力学理论是不完整的，从而为爱因斯坦辩护。1969年，克劳瑟写信给贝尔，告知了他的意图。贝尔高兴地回答道；以前没有人给他写信谈论他的定理。

克劳瑟搬到了加州劳伦斯伯克利国家实验室，在那里，他几乎没有任何预算，就创造了世界上第一对故意纠缠的光子。当光子相距约10英尺时，他测量了它们。观察一个光子的属性会立即在另一个光子中产生相反的结果。克劳瑟和他的合著者斯图尔特·弗里德曼于1972年发表了他们的发现。从克劳瑟的角度来看，这个实验令人失望：他最终证明了爱因斯坦是错的。最终，克劳瑟非常不情愿地接受了量子力学令人困惑的规则事实上是有效的，而爱因斯坦所认为的对人类直觉的荒谬冒犯仅仅是宇宙的运作方式。克劳瑟在2002年说：“直到今天，我都承认我仍然不懂量子力学。”。

但是克劳瑟也证明了纠缠粒子不仅仅是一个思想实验。它们是真实的，甚至比爱因斯坦想象的还要奇怪。他们的怪异引起了物理学家尼克·赫伯特的注意，他是斯坦福大学博士和LSD爱好者，研究兴趣包括心灵感应和与来世的交流。克劳瑟向赫伯特展示了他的实验，赫伯特提出了一种机器，它可以利用纠缠比光速更快地进行通信，使用户可以通过时间向后发送信息。赫伯特的时间机器蓝图最终被认为是不可行的，但它迫使物理学家开始认真对待纠缠。物理学家阿舍·佩雷斯（Asher Peres）在2003年回忆道：“赫伯特的错误论文引发了巨大的进步。”。

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最终，解决爱因斯坦悖论的办法不是粒子发出的信号比光快；相反，一旦纠缠在一起，它们就不再是不同的物体，而是同时存在于宇宙两个部分的一个系统。（这种现象被称为非局域性。）自80年代以来，对纠缠的研究导致了理论和实验物理学的不断突破。10月，克劳瑟因其工作分享了诺贝尔物理学奖。在一份新闻稿中，诺贝尔委员会将纠缠描述为“量子力学最强大的特性”。贝尔没有活着看到革命的完成；他于1990年去世。今天，他1964年的论文被引用了一万七千次。

在谷歌位于圣巴巴拉的实验室，目标是同时纠缠许多量子位。想象一下，数百枚硬币排列成一个网络。按照编排好的顺序操纵这些硬币可以产生惊人的数学效果。一个例子是Grover的算法，由Shor在贝尔实验室的同事Lov Grover在90年代开发。“Grover的算法是关于非结构化搜索的，这对谷歌来说是一个很好的例子，”实验室的创始人Neven说。“我喜欢把它想象成一个巨大的壁橱，里面有一百万个抽屉。”其中一个抽屉里有一个网球。一个在壁橱里四处寻找的人，平均来说，在打开50万个抽屉后，就会找到球。Neven说：“虽然这听起来很神奇，但Grover的算法只需一千步就能完成。”。“我认为量子力学的全部魔力基本上可以在这里看到。”

内文的职业生涯很不稳定。他原本主修经济学，但在参加了一场弦理论讲座后改学了物理学。他获得了专注于计算神经科学的博士学位，并被聘为南加州大学教授。当他在美国南部时，他的研究团队赢得了美国国防部主办的面部识别比赛。他创办了一家名为Neven Vision的公司，该公司开发了社交媒体人脸过滤器的技术；2006年，他以4000万美元的价格将公司卖给了谷歌。在谷歌，他从事图像搜索和谷歌眼镜，在公共广播中听到一个关于量子计算的故事后，他转向了量子计算。他告诉我，他的最终目标是通过将量子计算机连接到某人的大脑来探索意识的起源。

Neven对面部分析技术的贡献广受赞赏，如果你曾经在Snapchat上假装自己是一条狗，你就要感谢他。（你也可以感谢他对这项技术的反乌托邦应用。）你可能也会感谢他对这项技术的反乌托邦应用。）但是，在过去几年里，在世界领先的科学期刊上发表的研究论文中，他和他的团队还揭示了一系列小而奇特的奇迹：聚成一团的光子；其性质根据排列顺序而改变的相同粒子；一种被称为“时间晶体”的不断变化的物质的奇异状态。内文说：“从字面上看，有十几种这样的东西，每一种都和下一种一样充满科幻色彩。”。他告诉我，物理学家玛丽亚·斯皮罗普洛（Maria Spiropulu）领导的一个团队使用谷歌的量子计算机模拟了一个“全息虫洞”，这是一个穿越时空的概念捷径，最近这项成就登上了《自然》杂志的封面。

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谷歌发表的量子计算科学成果有时会受到其他研究人员的关注。（《自然》杂志的一位作者称他们的虫洞是“你能想象到的最小、最烂的虫洞”。拥有一只名叫库比特（Qubit）的狗的斯皮罗普洛（Spiropulu）表示赞同。“这真的很烂，”她告诉我。）“尽管进行了所有这些实验，但我们在多大程度上真正做到了我们所声称的，仍然存在着巨大的争论。”，德克萨斯大学奥斯汀分校专门研究量子计算的教授表示。“你得眯着眼。”量子计算也不会很快取代经典方法。“量子计算机在计算方面很糟糕，”谷歌的研究科学家玛丽莎·朱斯蒂娜说。“我们数到四。”

朱斯蒂娜是世界领先的纠缠问题专家之一。2015年，在奥地利教授安东·塞林格的实验室工作时，她对克劳斯1972年的实验进行了更新。10月，泽林格也被评为诺贝尔奖得主。朱斯蒂娜说：“在那之后，我收到了一堆ping，说‘祝贺你的老板获得诺贝尔奖’。”。她谈到一台机器可能很快就能模拟复杂分子，但目前还不能做基本运算，对此她有些沮丧。她说：“这与我们日常生活中的经历是对立的。”。“这就是为什么它如此烦人，如此美丽。”

谷歌纠缠量子比特的主要问题是它们不“容错”。Sycamore处理器平均每千步就会出错一次。但一个典型的实验需要远远超过一千步，因此，为了获得有意义的结果，研究人员必须运行同一程序数万次，然后使用信号处理技术从堆积如山的数据中提炼出少量有价值的信息。如果程序员可以在处理器运行时检查量子位的状态，这种情况可能会得到改善，但测量叠加的量子位会迫使量子位假设一个特定的值，从而导致计算恶化。这种“测量”不需要由有意识的观察者进行；与环境的任何数量的交互都将导致相同的崩溃。Giustina说：“让量子比特生活在安静、寒冷、黑暗的地方是量子计算规模化的一个基本部分。”。当谷歌的处理器遇到太阳系外的辐射时，有时会出现故障。

在量子计算的早期，研究人员担心测量问题难以解决，但在1995年，彼得·肖尔（Peter Shor）表明，纠缠也可以用来纠正错误，从而改善硬件的高故障率。肖尔的研究引起了当时在莫斯科工作的理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫的注意。1997年，Kitaev用“拓扑”量子纠错方案改进了Shor码。加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）谈到基塔耶夫（Kitaev），他现在是该校的教授。Preskill说：“他很有创造力，技术上也很深入。”。“他是我认识的少数几个可以毫不犹豫地称之为天才的人之一。”

我在他位于加州理工学院的宽敞办公室里见到了基塔耶夫，那里几乎空无一人。他穿着跑鞋。Kitaev告诉我，在花了一天时间思考粒子之后，他走了大约一个小时来理清思绪。在艰苦的日子里，他可能会走更长的路。在加州理工学院以北几英里处坐落着威尔逊山，20世纪20年代，埃德温·哈伯（Edwin Hubble）使用当时世界上最大的望远镜推断宇宙正在膨胀。基塔耶夫说：“我去过威尔逊山大概一百次。”。当问题真的很棘手时，基塔耶夫会跳过威尔逊山，而是去附近的巴尔迪山徒步旅行，这是一座万英尺高的山峰，经常被雪覆盖。

量子计算是鲍迪山的问题。基塔耶夫说：“我在1998年预测，计算机将在30年内实现。”。“我不确定我们会成功。”Kitaev的纠错方案是构建功能量子计算机的最有希望的方法之一，2012年，他他因其工作获得了世界上最赚钱的科学奖突破奖。后来，谷歌聘请他为顾问。到目前为止，没有人能够实现他的想法。

Preskill和Kitaev一起教授加州理工学院的量子计算入门课程，他们的教室里挤满了学生。但是，2021，亚马逊宣布将在加州理工学院校园内开设一个大型量子计算实验室。Preskill现在是亚马逊学者；Kitaev仍留在谷歌。这两位物理学家以前有相邻的办公室，现在在不同的建筑里工作。他们仍然是学院派，但我感觉到有些研究课题他们无法再讨论。

2020年初，辉瑞公司的科学家开始生产数百种实验药物，用于治疗新冠肺炎。那年7月，他们合成了7毫克名为PF-07321332的研究化学品，这是该公司上周生产的20种配方之一。PF-07321332一直是实验室冰箱中的一个匿名小瓶，直到9月，实验表明它能有效抑制大鼠体内的新冠肺炎。该化学物质随后与另一种物质结合，并重新命名为奈玛特韦片/利托那韦片组合包装，这是一种药物混合物，可将与19型冠状病毒相关的住院人数减少约90%。奈玛特韦片/利托那韦片组合包装是一位救世主，但在量子计算机的帮助下，导致其开发的费力的试错过程可能会缩短。“我们只是在猜测可以直接设计的东西，”创业公司PsiQuantum董事会成员、风险投资家彼得·巴雷特（Peter Barrett）告诉我。“我们在猜测我们的文明完全依赖的东西，但这绝不是最优的。”

容错量子计算机应该能够以前所未有的精度模拟工业化学品的分子行为，从而引导科学家更快地获得结果。2019年，研究人员预测，只要有1000个容错量子位，就可以首次准确地模拟出一种被称为Haber Bosch过程的农业用氨生产方法。这一过程的改进将导致二氧化碳排放的大幅减少。锂是电动汽车电池的主要成分，是一种原子序数为3的简单元素。一台容错量子计算机，甚至是一台原始的量子计算机，可能会展示如何扩展其存储能量的能力，增加车辆的续航里程。量子计算机可用于开发可生物降解塑料或无碳航空燃料。麦肯锡咨询公司提出的另一种用途是“模拟表面活性剂以开发更好的地毯清洁剂”。几年前，普雷斯基尔写道：“我们有充分的理由相信，量子计算机将能够有效地模拟自然界中发生的任何过程。”。

我们生活的世界是宏观尺度的。这是一个普通动力学的世界：台球和火箭船。亚原子粒子的世界是量子尺度。这是一个奇异效应的世界：干扰、不确定性和纠缠。在这两个世界的边界是科学家们称之为“纳米尺度”的分子世界。在大多数情况下，分子的行为就像台球，但如果你放大足够近，你就会开始注意到量子效应。正是在纳米尺度上，研究人员希望量子计算能够解决其在药物和材料设计方面的第一个有意义的问题，也许只需要几百个容错量子比特。分析人士预计，正是在这一学科中，量子分子化学将成为量子计算领域的第一笔真正的资金。量子物理学获得诺贝尔奖。量子化学将开出支票。

许可使用费可能带来的意外收获令投资者兴奋不已。除了科技巨头，还有一批初创公司正在尝试制造量子计算机。行业贸易刊物《量子内幕》（Quantum Insider）统计了该行业的600多家公司，另一项估计表明，全球范围内已经投入300亿美元用于开发量子技术。其中许多业务都是投机性的。总部位于马里兰州大学公园的IonQ去年上市，尽管几乎没有销售。那里的研究人员使用“捕获离子”方法获得的量子位进行计算，将稀土元素镱的原子排列成整齐的一排，然后用激光操纵它们。IonQ首席技术官金荣生（Jungsang Kim）告诉我，他的离子阱比谷歌的处理器更能保持纠缠，但他承认，随着量子比特的增加，激光系统变得更加复杂。“改进控制器，这是我们的症结所在，”他说。

在帕洛阿尔托的PsiQuantum，工程师们正在用光子（光的无重量粒子）制造量子比特。该公司首席科学家皮特·沙德博尔特（Pete Shadbolt）表示：“这种方法的优势在于我们使用了现有的硅制造技术。”该公司首席科学官皮特·沙德博尔特说。“而且，我们可以在更高的温度下运行。”PsiQuantum已经筹集了5亿美元。还有其他更奇怪的方法。微软在Kitaev工作的基础上，试图构建一个“拓扑”量子比特，这需要合成一个难以捉摸的粒子才能工作。英特尔正在尝试将量子比特嵌入半导体的“硅自旋”方法。竞争导致了人才争夺战。金说：“如果你拥有量子物理学的高级学位，你可以进入就业市场，在三周内获得五份工作。”。

即使是最乐观的分析师也认为，量子计算在未来五年内不会获得有意义的利润，悲观主义者警告说，这可能需要十年以上的时间。看来，很多昂贵的设备很可能会被开发出来，但却没有什么持久的用途。Shadbolt说：“你沿着山景城计算机历史博物馆的大厅走，你会看到一条水银延迟线。“我喜欢思考那些建造这座建筑的人。”

即使是业内人士，也很难确定哪种方法目前处于领先地位。“‘Pivot’是硅谷对濒死体验的称呼，”内文说。“但如果有一天我们看到超导量子比特被光子学等其他技术击败，我会心跳加速。”内文实际上似乎对竞争感到宽慰。他的实验室很昂贵，而量子计算是在低利率时代蓬勃发展的登月项目。实验物理学家Devoret告诉我：“由于目前的财务状况，我们这个领域的创业公司在寻找投资者方面遇到了更多困难。”但只要亚马逊在量子计算领域投资，谷歌也会继续为其提供资金。此外，美国情报机构不顾市场波动，将量子解密作为优先事项，这一点也得到了国家的默许。事实上，内文最激烈的竞争不是来自私营部门，而是来自中国共产党。谷歌前量子计算主管约翰·马丁尼斯（John Martinis）表示，“在制造高质量量子比特方面，可以说中国领先。”

在中国科学技术大学的校园里，四种相互竞争的量子计算技术正在并行开发。在2020年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，由科学家卢朝阳和潘建伟领导的一个团队宣布，他们的处理器解决了一项计算任务，比最好的超级计算机快数百万倍。潘是量子纠缠领域最大胆的研究者之一。2017年，他的团队在西藏的一个天文台进行了一项实验，将两个光子纠缠在一起，并将其中一个光子传输到轨道卫星。然后，科学家们使用“量子隐形传态”技术，将地球上的第三个光子的属性转移到太空中

今年早些时候，卢和我通过视频交谈。他参加了一次强制性的新冠肺炎测试，匆匆赶回家，迟到了，满身大汗。卢立即开始揭穿竞争对手的说法，甚至是他自己的努力。一个被广泛报道的数字表明，中国已投资150亿美元开发量子计算机。“我不知道这是怎么开始的，”卢说。“实际资金可能是这一数字的25%。”

陆九章的光子量子计算机无疑是世界上速度最快的计算机之一，但陆九章多次指责他的同事过度使用这项技术。在我们的电话中，他调出了一个视频片段，一个女人试图把十只小猫排成一行。“这是我们面临的问题，”他说。一只小猫跑到后面，女人跑过去抓住它。“你想高精度地控制多个量子位，”卢说，“但它们应该与环境隔离得很好。”当女人换下第一只小猫时，其他几只都逃走了。

卢警告说，量子计算机面临着来自普通硅片的激烈竞争。最早的电子计算机，从四十年代开始，只能打败人类。量子计算机必须证明其优于每秒可运行500万次计算的超级计算机。他说：“我们看到的量子算法很少有指数加速的证据。”。“在很多情况下，还不清楚使用普通计算机是否更好。”卢还反驳了马蒂尼斯关于中国制造最好量子位的说法。“事实上，我认为谷歌是领先的，”他说。

内文同意了。“明年的某个时候，我认为我们将制造第一个完全容错的量子位，”他说。从那时起，谷歌计划通过将处理器链接在一起来扩大其计算工作。我参观的仓库旁边是第二个更大的空间，阳光照进了一间卧室