书评丨量子计算为人工智能插上翅膀

郑扬洋

人类进步的历史与信息加工的能力是同步发展的。人类从观察了解自然界日夜交替和季节规律开始，发展到如今利用人工智能加速学习和数据处理，计算技术的进步居功至伟。大模型引发的AIGC也是在大幅提升运算速度的GPU出现后，才出现了井喷式爆发。目前数千亿参数的大模型对算力的需求，正呼唤着量子计算机尽快问世。

日本著名物理学家加来道雄的新书《量子霸权：量子计算机革命如何改变世界》为我们勾勒了一幅未来的图景。该书从量子计算的原理入手，介绍了量子计算机的研发进展，并用大量篇幅探讨了量子计算机在科技方面的应用，指出量子计算将为我们的经济、社会以及生活方式开创一个全新的时代。加来道雄教授毕生致力于量子理论研究，他讲述了这个令人兴奋的科学前沿，以及激动人心的争夺人类未来的竞赛。

谈到量子计算机，大家都听说过“量子纠缠”这个奇妙的物理现象。这个说法最初来自德国物理学家薛定谔，他在写给爱因斯坦的一封信里，最先使用了术语Verschränkung（纠缠），指的是两个暂时耦合的粒子，在不再耦合之后仍维持着彼此之间的关联。尽管薛定谔无法解释这种现象，更喜欢自己提出的被称作“薛定谔之猫”的思想实验，但是，他正确地认识到这个概念的重要性，认为量子纠缠是量子力学的特征性质。

量子纠缠在很长时间里都无法得到理论解释，因为它违反了在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。设想做一个实验，将一个正电子和一个负电子对撞，发生湮灭并释放出一对光子。由于这对光子的总物理量始终守恒，因此无论它们相距多远，哪怕是一个在太阳边，一个在冥王星边，在如此遥远的距离下，它们之间仍能保持关联：其中一个光子的变化都会立即导致另外一个光子也发生改变，这就是量子纠缠。如果其中一个光子被进行了某种操作而发生状态变化，则另一个光子也会即时发生相应的状态变化，就像它们之间可以进行超光速的秘密通信一样。这种需要在瞬间完成信号的传递，违反了人类在宏观世界观察到的所有规律，就连爱因斯坦也曾讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。

量子物理学曾经引发了半导体技术的革命性进步，而且很快就发展到了无法观测的粒子研究阶段，人们很难用宏观世界中的经验来思考极微小尺度的粒子现象。经典物理学实际上是对可观测到的现象进行总结，然后通过实验加以验证。而量子物理学因为要研究难以观察和测量的粒子之间的物理现象，越来越难以通过仪器设备进行实证研究，而不得不依靠基于想象和创造力的思想实验对量子纠缠进行理论解释。

即便它违反了所有可观察尺度上的物理定律，科学家还是取得了可见的进展。2017年，量子科学实验卫星墨子号将两个量子纠缠光子分发到相距超过1200公里的距离后，仍观察到它们继续保持着量子纠缠的状态。2018年，芬兰的麦卡·习岚帕教授的实验团队成功地制作了两个独自震动的宽度只有15微米的鼓膜。通过超导微波电路在接近绝对零度下让这两个鼓膜持续进行了约30分钟的互动，展示了宏观的量子纠缠。

量子计算机被冠以“终极计算机”称号，理论上不存在计算能力极限。世界上许多领头雁公司在这项新技术上投入了巨资。比如，谷歌、微软、英特尔、IBM、霍尼韦尔等公司都在开发量子计算原型机。各国政府也纷纷投入资金，加速量子技术方面的研究，我国的科研机构也取得了一定的进展。书中，作者还用大量篇幅列举了量子计算将发挥巨大潜力的领域，比如治疗癌症、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化、帕金森病等，指出修复DNA损伤和逆转衰老，很可能就是量子计算机的下一个战场。再如解开固氮的秘密，以更低的能源成本养活爆炸式增长的世界人口，设计“超级电池”来迎接太阳能时代，揭开光合作用的神秘面纱等案例，而这些难题之间最大的共同点就是需要巨大的计算量。以前需要一百年才能计算出来的信息，使用量子计算机分秒间就能搞定。这也是许多医学研究人员和咨询公司都选择押注在量子计算上的原因。简言之，人类面临的任何问题都有可能被量子计算机解决。

人工智能显然能够在量子计算技术的加持下实现突飞猛进的发展。比如在密码学领域，目前难以被攻克的密码技术，将很容易用量子计算机解码；同时，通过量子密钥分发能够使通信双方共同拥有一个随机、安全的密钥来加密和解密信息，从而保证通信安全。在量子密钥分发机制里，给定两个处于量子纠缠的粒子，假设通信双方各自接受到其中一个粒子，由于测量其中任意一个粒子会摧毁这对粒子的量子纠缠，任何窃听动作都会被通信双方侦测发觉。

虽然现在放眼望去，一切似乎都还风平浪静。但当下一轮技术浪潮来临后，我们将迈入一个属于量子计算的新世界。