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。