读量子霸权01硅时代的终结

1. 量子计算机

1.1. 一种全新型计算机，在处理特定任务时能明显超越普通数字超级计算机

• 1.1.1. 谷歌宣称自己研发的量子计算机Sycamore可以在200秒以内解决世界上最快的数字超级计算机花1万年才能完成的数学问题

  • 1.1.1.1. 谷歌的Sycamore量子计算机就是全球第一台实现量子霸权的计算机，其拥有的53个量子位能够处理720亿吉字节内存

  • 1.1.1.2. 在Sycamore这样的量子计算机面前，任何传统计算机都相形见绌

• 1.1.2. 【东大】科学院量子创新研究院更进一步，宣称自己的量子计算机比普通超级计算机快100万亿倍

• 1.1.3. 2016年发布的名为“IBM Q Experience”的量子计算机，就通过互联网推出了15台量子计算机供公众免费使用

• 1.1.4. 2021年，IBM推出了自己的量子计算机“Eagle”​（鹰）​

  • 1.1.4.1. Eagle的计算能力远超以往所有型号的量子计算机，处于领先地位

• 1.1.5. IonQ成为量子计算领域的第一家大型上市公司，在2021年首次公开募股(IPO)中募集了6亿美元

• 1.1.6. 谷歌、微软、英特尔、IBM、里格蒂计算公司和霍尼韦尔等无一不在开发量子计算原型机

1.2. 量子计算机之所以被冠以“终极计算机”称号，是因为它是技术层面带有决定性意义的一次飞跃，对整个世界都将产生深远影响

1.3. 量子计算机并不是通过微小的晶体管开展计算的，而是通过更小的媒介，即原子本身，从而能够在计算能力上轻松打败当下最强大的超级计算机

1.4. 量子计算机并不仅仅是一种功能十分强大的计算机器，它还代表了一种新型计算方式，可以解决数字计算机永远无法解决的问题

• 1.4.1. 即使在不考虑时间限制这个维度的情况下也是如此

• 1.4.2. 数字计算机只能够基于一系列0和1组成的数字开展线性计算，而只基于两个数字来开展计算实在是太粗糙了，根本达不到准确描述出分子内部电子波动所需的精细程度

• 1.4.3. 量子计算机则能以闪电般的速度，同时开展对所有可能路径的分析并完成计算

• 1.4.4. 量子计算机可以在1秒钟内完成大约10亿次粒子碰撞产生的多达1万亿字节的数据的相关处理

1.5. 距离真正造出一台能够切实可行地解决人类世界现实问题的量子计算机，还有很长的路要走

• 1.5.1. 艰巨的工作仍然摆在面前

2. 量子霸权

2.1. 2012年，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔首次提出“量子霸权”这一说法

2.2. 成熟的量子计算机可以破解所有已知的网络代码

• 2.2.1. 政府精心保护的秘密，即便是视若珍宝的极端敏感信息，也都非常容易受到攻击，企业或个人的机密就更不用说了

• 2.2.2. 预计到2029年，量子计算机能破解128位AES（高级加密标准）加密，而这也是当前许多公司正在使用的加密算法

2.3. 【东大】已经在量子信息科学国家实验室投入了100亿美元，目标就是成为这一至关重要、快速发展的技术领域的领导者

2.4. 与数字技术紧密相连的经济世界实际上正处于危险之中

• 2.4.1. 一旦量子计算机闯入华尔街的密室，则可能引发金融市场动荡

• 2.4.2. 量子计算机还可能解锁区块链，严重破坏比特币市场

2.5. 谁有能力制造和使用量子计算机，谁就有更大的赢面去争夺人类未来的胜利

3. 硅时代的终结

3.1. 科学界已经有多位科学家认同当下正步入全新时代，而这个全新时代所带来的冲击力绝不亚于当年晶体管和微芯片出现并开创时代所产生的冲击力

• 3.1.1. 化学、医学、石油和天然气、运输、物流、银行、制药和网络安全等领域都已经非常成熟，均有条件开展重大变革

• 3.1.2. 制药公司也正密切关注着这一领域的发展，它们意识到量子计算机模拟复杂化学和生物过程的能力远远超出数字计算机

3.2. 量子计算机的兴起实际上标志着硅时代开始接近尾声

• 3.2.1. 可能已经开始步入见证硅时代终结的阶段

• 3.2.2. 后硅时代，或者可以直接称之为量子时代

3.3. 摩尔定律的终结

• 3.3.1. 过去的半个世纪里，摩尔定律揭示了计算机行业强大的爆发规律，它也正是由英特尔的创始人戈登·摩尔提出并命名的

• 3.3.2. 事实上，摩尔定律一直可以追溯到19世纪的机械计算机时代

• 3.3.3. 摩尔定律指出，计算机的计算能力每18个月就能翻一番

• 3.3.4. 根据物理定律，如果想要在主要材料为硅的基础上继续微缩，那么摩尔定律最终会面临崩溃

3.4. 计算机的每一次转折性发展，都让之前的技术遭到创造性破坏的冲击，并最终走向被淘汰的命运

3.5. 下一轮技术浪潮来临后，硅谷最终很有可能变成新“锈带”

4. 为何如此强大？

4.1. 从本质上讲，所有近现代计算机都是基于数字信息技术的，均采用一系列0和1的组合进行编码

• 4.1.1. 信息的最小单位，即单个数字，被称为“位”​

• 4.1.2. 将0和1的序列输入数字处理器，随后数字处理器就开始进行计算，计算出结果后再输出

• 4.1.3. 1G带宽就是指每秒有10亿多个字节被发送到你的电脑

4.2. 原子就像一个一直旋转的陀螺

• 4.2.1. 在磁场中，它们的位置是相对更加灵活的，可以顺应磁场产生向上或向下排列，以此来对应于0或1的排列

• 4.2.2. 亚原子世界的规则是不稳定的，因为原子可能旋转到两者的任意组合当中

• 4.2.3. 原子自旋的这种规则可能导致无数种状态，从而大大增加了去描述更多数量的各种状态的可能性

• 4.2.4. 数字算法下的比特单位，每次只能携带一位信息，从而限制了它们的能力

• 4.2.5. 量子位的能力几乎可以说是无限的，这是因为在原子水平上，某一个物质往往可以实现同时以多种不同状态存在，这被称为“量子叠加”​

  • 4.2.5.1. 常见的通用定律在原子水平上不再适用

• 4.2.6. 量子位之间的相互作用叫作“量子纠缠”​

4.3. 当下的量子计算机已经可以拥有100多个量子位

• 4.3.1. 这些量子计算机的计算能力相当于那些只拥有一个量子位的超级计算机的2^100倍

5. 问题

5.1. 为了使量子计算机能够保持工作状态，原子必须实现精确排列，以便能够产生一致性的振动，这被叫作“相干性”​

5.2. 原子是非常小且非常敏感的存在，哪怕是外部世界里一个最小的杂质或者一次最微弱的干扰，都可能导致原子阵列发生变化，从而破坏这种相干性，发生所谓的“量子退相干”​，导致整个计算过程被破坏

• 5.2.1. 为了最大限度地减少来自外界的各种干扰，科学家尝试使用一些特殊设备将温度降至接近绝对零度，从而使不必要的干扰降到最低

• 5.2.2. 要让温度接近绝对零度，就需要使用一些昂贵稀缺的泵和管道等

5.3. 大自然是在室温下顺利地使用量子力学的

• 5.3.1. 光合作用作为地球上最重要的过程之一，就是一个犹如奇迹般的量子过程，但它就发生在常温下

• 5.3.2. 大自然母亲并没有使用一屋子的奇异设备把周遭温度降至接近绝对零度才开始成功运行并完成光合作用

• 5.3.3. 自然界中的原子却能够稳定地保持着一致性，所以其中一定有什么运作机制是我们所不了解的

6. 革新世界经济

6.1. 量子计算机在许多领域都将超越传统数字计算机

6.2. 在过去的时代，财富往往是用石油或者黄金来衡量的

• 6.2.1. 发展到现在，财富已经越来越多地开始用数据来衡量

6.3. 量子计算机还可以解决数字计算机无法解决的复杂方程计算

• 6.3.1. 最大优势在于能够实现同时对数百个重要化学过程的模拟

• 6.3.2. 量子计算机能够帮助我们在原子水平上预测任何化学反应的结果，实现根本不需要使用化学物质进行相关计算的梦想

• 6.3.3. 计算化学这一新的科学分支不再是通过传统化学实验来观察和确定所谓的化学性质，而是直接通过量子计算机模拟来完成，这种计算方法总有一天会替代昂贵而耗时的化学测试方法

6.4. 人工智能特别擅长从错误中不断实现自我学习，因此这种技术被用于执行复杂困难的任务

• 6.4.1. 人工智能目前已经在工业和医学领域证实了自己的价值

• 6.4.2. 人工智能也是有局限性的，它必须通过大量数据处理来达成自我学习的目标，而这么大体量的数据处理对传统数字计算机的能力提出了很大挑战

• 6.4.3. 筛选堆积如山的数据的能力是量子计算机的强项之一

6.5. 只有量子计算机才有可能最终开创人类期待已久的太阳能时代

• 6.5.1. 只有量子计算机才有可能最终开创人类期待已久的太阳能时代

• 6.5.2. 每一项新技术都必须直面一个底线：成本

• 6.5.3. 当太阳不亮、风也不吹的时候，可再生能源技术设备就只能闲置、积灰，不能转化成任何能源

• 6.5.4. 太阳能时代的关键瓶颈电池经常被人们忽略

  • 6.5.4.1. 我们已经被计算机能力一直以来所保持的指数级增长速度宠坏，因此自然而然地认为，所有电子技术的改进速度都应该是一样的

    6.5.4.1.1. 计算机能力的激增，部分原因是我们使用了更短波长的紫外线、在硅片上蚀刻微小的晶体管

  • 6.5.4.2. 电池和晶体管是截然不同的，它们的内部可以说是杂乱无章的，只是化学物质的一系列复杂的相互作用

  • 6.5.4.3. 电池电量技术只能缓慢而乏力地增长，因为电池需要通过反复的化学试验，而不是通过用波长较短的紫外线进行系统蚀刻这种短平快的技术就能实现的

  • 6.5.4.4. 电池储能的量只能达到汽油储能水平的一小部分

6.6. 量子计算机的另一个关键应用可能就是养活世界上不断增长的人口

• 6.6.1. 一些特定类型的细菌能够毫不费力地从空气中吸收氮并将其转化为氨，然后将氨转化为化学物质，从而成为肥料

  • 6.6.1.1. 细菌不费吹灰之力就能做成的事，人类却要消耗很多的能量才能实现

• 6.6.2. 固氮过程是地球上生命繁荣的原因，通过给予植被茂盛生长的条件，从而让人类和动物得以存活

  • 6.6.2.1. 微软的科学家已经首次尝试使用量子计算机来提高肥料产量，并解开了固氮的秘密

• 6.6.3. 大自然的另一个奇迹是光合作用，通过光合作用，阳光和二氧化碳转化为氧气和葡萄糖，从而形成几乎所有动物生命的基础

• 6.6.4. 量子计算机显然可能助力实现更高效的合成光合作用，那或许可能是一种捕捉阳光能量的全新技术方法

6.7. 量子医学

• 6.7.1. 量子计算机不仅可以比任何传统数字计算机都更加快速地同时完成数百万种潜在药物疗效的分析，而且可以帮助我们探究一些疾病的源头

• 6.7.2. 在当前人类医学领域中，最伟大的两个发现就是抗生素和疫苗

• 6.7.3. 新的抗生素主要是通过反复试验的方法发现的，所以并不能确切地了解抗生素在分子水平上是怎样作用的，而疫苗只能通过刺激人体产生一些化学物质来达到攻击入侵病毒的目标

  • 6.7.3.1. 通过破译我们免疫系统中分子的复杂性，量子计算机或许能够创造出一些有可能对抗这些疾病的新药和新疗法

• 6.7.4. 所有生命都是在量子力学范畴内才能观察的，因此这远远超出了传统数字计算机的能力范畴

  • 6.7.4.1. 大自然母亲能够创造出一个庞大的分子作用机理库，让生命这样的奇迹的发生成为可能

• 6.7.5. 阿尔茨海默病将成为“世纪疾病”​

  • 6.7.5.1. 传统数字计算机已经帮助人类证明了某些基因的突变，如ApoE4（载脂蛋白E4）基因，与阿尔茨海默病直接相关

  • 6.7.5.2. 传统数字计算机却无法进一步解释这些基因究竟发生了怎样的突变而导致人类患上阿尔茨海默病

• 6.7.6. 蛋白质折叠问题成为生物学中最大的未知领域之一

• 6.7.7. 量子计算机已经可以连接到神经网络，从而有可能创造下一代可以自我改造的学习机器