量子时代，改变世界的大趋势

《更新书堂》·第451篇

内容来源|本文摘自中信出版书籍

《量子霸权》加来道雄著

责编|金木研排版|五月

第8322篇深度好文：7371字|15分钟阅读

人类社会如同波澜壮阔的江河，历经石器、青铜、铁器的洗礼，穿越蒸汽与电气的迷雾，终于抵达了科技高峰的硅时代。然而，就在我们以为已触及科技边界之际，此刻，我们已经悄然站在一个全新的临界点——量子时代。

但提及“量子”与“量子计算机”，对于大多数人来说，它们仍然如同遥远星辰般神秘莫测。然而，正是这个看似遥不可及的领域，却蕴藏着改变世界的巨大潜力。

在量子时代，我们有望以前所未有的精度洞察生命的奥秘，解析基因的分子结构，探寻人类起源的真相；基于量子力学的原理，我们不仅能提高农业产量，满足日益增长的粮食需求，还能优化能源生产，推动新能源革命；通过量子技术，我们可以提升电车性能，减少温室气体排放；更精准地预测天气，保障人类生活的安全与便捷；甚至，量子技术还将助我们揭开宇宙的神秘面纱，深入探索黑洞与暗物质的奥秘。

那么，当“量子霸权”的微观世界成为主导，我们的社会将如何运转？全人类的生存和发展又将迎来怎样的崭新篇章？

在《量子霸权》一书中，著名物理学家加来道雄为我们详细梳理了“量子”的来龙去脉，深入探讨了量子计算的崛起以及它可能给人类社会带来的深远影响。

一、“量子”的崛起

1.量子理论的诞生与发展

在经典的物理学框架中，牛顿的定律描述了宇宙运动，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦则发现了光和电磁定律。从巨型行星在太空中的运动，到炮弹，再到闪电，所有一切似乎都可以用牛顿和麦克斯韦的理论来解释。

根据牛顿的理论，宇宙就是一个时钟。它以一种精确而预先确定的方式遵循着牛顿的三大运动定律。这一被称为牛顿决定论的理论体系风靡了几个世纪。

尽管牛顿的决定论体系十分成功，但面对微观世界的某些现象时，它开始显示出局限性。而人类正是在长期致力于解决这些问题的过程中，逐渐动摇了看上去设计精密的牛顿决定论。

德国物理学家马克斯·普朗克提出了能量量子化的假设，即能量不是连续变化的，而是以一定大小的包（即量子）的形式存在。这一假设成功解释了黑体辐射问题，准确地找到了能够正确反映光产生的温度与能量之间的关系曲线。

这成就了一个旷世发现，并被认为是量子理论的起点。

继普朗克之后，爱因斯坦声称光能可以离散的能量（后来称为光子）的形式出现，而这些离散的能量可以将电子从金属中“敲”出来。于是，一种新的物理学原理开始出现。爱因斯坦提出一个叫作“二象性”的概念，即光能具有双重特性。光既可以像光学中的粒子，即光子一样起作用，又可以像波一样起作用。

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔与一位同事一起讨论物质作为“波”的性质。他的同事问道，如果物质真的可以像波一样运动的话，那么这种运动应该遵循什么方程呢？

于是，薛定谔开始试图寻找电子的波动方程。时至今日，薛定谔波动方程早已成为量子理论的基石，是所有高等物理学研究生的必修课程。

薛定谔波动方程尽管蔚为壮观且落地有声，量子时代，改变世界的大趋势但仍然面临着十分重要却让人有点尴尬的问题。那就是，如果说连电子都是波状的话，那么我们究竟应该如何认识波呢？

对此，物理学家马克斯·玻恩通过假设物质由粒子组成点燃了这次爆炸性争论的导火索，但发现粒子的概率实际上是由波给出的。

在这一假设的基础上，维尔纳·海森伯提出了一种替代但等效的量子力学公式，并将其命名为“不确定性原理”。因此，在这种新原理作为解释的基础上，量子理论的相关原理终于可以系统性表述出来了。

这个发现是人类在最终将量子计算机创造出来的漫长征程中迈出的第一步。

2.量子计算机兴起、硅谷时代的终结

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。该定律指出，计算机的计算能力每18个月就能翻一番。这个看似简单的定律实际上有效追踪并描述了计算机技术的显著指数级增长。

然而，随着技术的更迭，摩尔定律所指出的发展规律，在现实中已经出现放缓趋势，照此下去最终势必将停止。

主要原因是，现在的微芯片已经非常紧凑了，最薄的晶体管层大约只有20个原子直径那样薄。而当晶体管层继续压缩到大约只有5个原子直径时，电子的位置就将变得不确定，电子可能会逃逸出来，从而导致芯片短路，或者可能会产生大量热量而进一步导致芯片熔化，囿于此，晶体管层继续压缩变薄的空间已经不断收窄。

换言之，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。

由此来看，我们可能已经开始步入见证硅时代终结的阶段。硅时代之后的下一个时代，可能正是我们所说的后硅时代，或者可以直接称之为量子时代。

是什么让量子计算机如此强大，以至于全世界各个国家都迫不及待地想掌握这项新技术？

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”。此外，这些量子位之间还可以相互作用，而这对于普通的比特来说也是不可能的，这种量子位之间的相互作用叫作“量子纠缠”。

也正因有这样的内在属性，量子计算机天生就比数字计算机强大得多，因为每增加一个额外量子位，交互次数就会翻倍。

量子计算机的兴起实际上标志着硅时代开始接近尾声。

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，那时许多科学家都不认同。但截至目前，一系列关于量子霸权的惊人声明，都粉碎了当年反对者的悲观预测。当下，人们只关注这个领域到底发展到了哪里，而不再怀疑它是否有发展的潜力。

2019—2020年，科学界被两个重磅发明所震撼：两个研究小组先后宣布其实现了“量子霸权”，成功发明了量子计算机——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。

这不仅预示了一场即将改变整个计算领域的剧变，而且将颠覆我们日常生活的方方面面。

二、量子时代，改变世界的5大趋势

如今，量子计算机正面临下一个重大挑战，那就是如何真正帮助人类解决现实世界中的实际问题，有些问题可能会彻底改变相关行业的发展轨迹。

科学家和工程师正在紧锣密鼓地关注那些用数字计算机根本无法解决的问题，目标正是应用量子计算机来尝试实现科学和技术领域的重大突破。

这些研究的一个重点方向就是，试图揭示生命起源背后的量子力学，从而进一步解开光合作用的奥秘，为地球提供食物，为人类社会提供新能源，并实现对宇宙的进一步探索。

1.固氮与合成光：养活不断增长的人口

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。

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。这种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。

化学家用哈伯-博施法复制了这一壮举，从而引发了绿色革命。然而，这个过程的完成需要大量能量。事实上，令人吃惊的是，世界上2%的能源生产都进入了这一过程。

这多少有点儿讽刺。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。

那么问题又来了：量子计算机能否解决高效肥料生产的问题，推动第二次绿色革命呢？一些未来学家预测，如果没有另一场粮食生产革命，那么目前不断增加的世界人口将越来越难以被养活，从而将引发生态灾难，并进一步导致全球范围内大规模的饥荒和粮食短缺，引发社会骚乱问题。

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。最终，也许量子计算机将助力拯救人类文明。

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。如果没有光合作用，食物链就会崩溃，地球上的生命就会迅速凋零。

科学家花了几十年的时间，试图从一个分子到另一个分子地梳理光合作用过程背后的所有步骤。然而，将光转化为糖的问题，探索的其实是一个量子力学过程。经过多年的努力，科学家已经分析出量子效应在光合过程中占据主导地位的部分，但是所有模拟都已经超出了传统数字计算机的计算能力范畴。因此，我们最优秀的化学家依然无法模拟出一种可能比天然光合作用更有效的合成光合作用。

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。人类未来的粮食供应问题也可能因为这种技术方法的突破而得以解决。

2.提高电池性能：让世界充满能量

近几十年来，可再生能源的成本一直在下降，但速度极其缓慢。太阳能时代的到来比人们预期的要慢得多。

在某种程度上，问题在于现代电池的局限性。当太阳不照耀、风也不吹时，来自可再生能源的电力就会降至零。可再生能源链中的薄弱环节是储存——如何储存能源以备不时之需。虽然随着我们系统地使硅片小型化，计算机的计算速度呈指数级增长，但只有当发现新的效率甚至新的化合物时，电池电量才会增长。

目前，电池仍然使用20世纪已知的化学反应。如果能够制造出一种效率和功率都更高的超级电池，人类将快速向无碳能源的未来过渡，并减缓全球变暖的进程。

问题是，电池内部发现的复杂化学反应并不简单遵循任何定律，比如牛顿力学定律。但量子计算机也许能够完成这项繁重的任务，模拟复杂的化学反应，而无须实际执行。

量子计算机有能力模拟数千种可能的化学反应，而不必在实验室中等待这些化学反应的发生，帮助人类以更快的速度找到超级电池最有效的工艺，从而推动人类步入太阳能时代。

戴姆勒在线杂志的编辑霍尔格·莫恩指出，量子计算除了发现新的电池设计之外，还有其他好处。他写道：“这可能成为发现新的、更高效的技术的最佳方式，模拟空气动力学形状以获得更好的燃油效率和更平稳的行驶，或者用无数变量优化制造工艺。

自2018年以来，宝马公司一直在研究量子计算机，并已经开始使用霍尼韦尔最新的量子计算机来解决一系列问题。尤其是，宝马公司正在寻求量子计算机来帮助优化程序，即在提高性能的同时降低成本。量子计算机不仅仅有助于在不破坏环境的情况下，制造更新、更便宜、更强大的电池和汽车。

3.准确预测天气：保障人类安全

近100年来，地球的快速变暖也从一个完全不同的来源得到了证实。全球变暖的趋势给人类的生存造成威胁，比如海平面上升、极地气旋、甚至给政治和军事带来影响。

那么我们能做点什么呢？

考虑所涉及的巨大风险，人们希望量子计算机能够计算出最佳选择。最重要的任务是汇编所有数据，使预测尽可能准确。

所有的天气计算机模型都是从将地球表面分割成小方块或网格单元开始的。

早在20世纪90年代，计算机模型就开始采用每边约311英里的正方形网格。随着计算机能力的提升，这一尺寸一直在变小。

接下来，这些正方形网格被扩展到第三维度，因此它们成为描述大气各个层的正方形板块。通常，大气被分为十个垂直的板块。一旦整个地球表面和大气层被划分为这些离散的板块，计算机就会分析每个板块内的参数（湿度、日照、温度、大气压等）。然后使用已知的大气层和能量热力学方程，计算相邻单元的温度和湿度如何变化，直到整个地球被覆盖。

通过这种方式，科学家可以对未来的天气做出粗略的估计。为了检验这些结果，可以通过所谓的“后报”来“测试”。计算机程序可以在时间上向后运行，这样，从当前的天气行为开始，我们就可以看到它是否可以“预测”过去的天气，当时天气状况是准确的。

天气“后报”表明，这些计算机模型虽然不完美，但已经能够正确地“预测”过去50年的整体天气模式。但数据量巨大，超出了普通计算机的极限。由于数字计算机最终会因这项任务日益复杂而不堪重负，因此需要向量子计算机过渡。

云层的形成每分钟都在变化，这使得长期预测非常不确定。云会立即受到温度、湿度、气压、气流和其他因素的快速变化的影响。考虑到不确定性，数字计算机的能力是有限的。然而，量子计算机或许能够解决最大的不确定性来源。

首先，量子计算机可以计算出，如果我们缩小气候模型的板块尺寸使我们的预测更准确会发生什么。天气可以在一英里的距离内迅速变化，但目前的板块的宽度有好几英里，所以会带来误差。但是量子计算机将能够适应更小的板块尺寸。

其次，这些模型目前以固定水平来估算急流和云层等因素。量子计算机将有能力将这些参数的变量考虑在内，这样人们就可以简单地转动旋钮并改变它们。通过这种方式，量子计算机将能够构建具有关键可变参数的虚拟天气报告。

量子计算机生成的更准确的天气报告将为我们提供更好的预测，这将帮助人类为可能的情况做好准备。

4.超级计算能力：对宇宙展开真正的测量

1609年，伽利略通过他亲手制作的望远镜凝望夜空，看到了前所未有的奇观。这是历史上第一次，宇宙那荣耀且威严的面纱被揭开。伽利略用他的望远镜颠覆了人类对太阳、月亮和行星的一切认知，望远镜引发的革命永远改变了我们看待宇宙荣耀的方式。

今天，环绕地球运行的卫星可以看到无与伦比的天空。这些仪器，比如距离地球100万英里的韦伯太空望远镜，从其在宇宙中有利的位置为天文学开辟了新的视野。科学已经如此成功，以至于科学家现在淹没在数据的海洋中，量子计算机可能是组织和分析这场信息洪流所必需的。

孩子经常会问一个简单的问题：天上到底有多少颗星星？其实这是一个非常难回答的问题，仅我们所在的银河系就有1000亿颗恒星。而哈勃望远镜原则上可以探测到1000亿个星系。

因此，据估计，在已知的宇宙中大约有1022颗恒星。这反过来意味着，如果我们想要出一本关于所有行星的百科全书，并对它们的位置、大小、温度等进行编目，就将耗尽一台超级数字计算机的内存了。因此，我们可能需要量子计算机才能对宇宙展开真正的测量。

量子计算机也许能够从这座天文数据塔中，筛选出有关天体的关键特征。只需按下按钮，它们便能够锁定关键数据，并从这些混乱的数据中提取重要结论。

此外，通过计算恒星内部深处的聚变，量子计算机或许能够预测下一次巨大的太阳耀斑何时会使电网瘫痪。量子计算机也许还能够求解方程，这些方程可以描述叛离的小行星、爆炸的恒星、膨胀的宇宙以及黑洞内部的情况。

如今，人们可能不得不求助于量子计算机来求解所有的弦理论方程。有一个可能性是，真正的宇宙理论可能会在这个过程中产生。因此，那把能够打开对宇宙创世纪认知的钥匙，可能就掌握在量子计算机的手中。

5.识别DNA的结构：探究生命之源

即使在今天，我们对生命是如何在大约40亿年前首次起源于地球的相关认识还是一知半解。事实上，如果想要在原子水平上分析基本生物和化学过程，数字计算机基本上可以说是帮不上任何忙的。即使是最简单的分子过程，也会很快超过数字计算机所能够承载的计算能力。然而，量子力学则很有可能帮助我们缩小这种解释能力上的差距，从而帮助我们揭开生命起源的奥秘。

20世纪50年代出现的两项重大突破，为进一步研究生命起源奠定了基础。

第一次突破出现在1952年。当时芝加哥大学哈罗德·尤里教授的研究生斯坦利·米勒做了一个简单的实验，他发现氨基酸是组成人体蛋白质的基本成分。换句话说，构成生命的基本成分在没有任何外界干扰的情况下形成了。

时至今日，我们已经可以很容易地知道生命起源的基本条件。氨基酸已经在许多光年外的遥远气体云中或外太空陨石的内部被发现。碳基氨基酸可能是整个宇宙中形成生命的种子。正如薛定谔方程所预测的那样，这一切都源自氢、碳和氧的简单键合性质。

因此，应用量子力学逐步发现地球上生命起源的量子过程应该是可能的。基本的量子理论一方面有助于我们更加深层次地去理解为什么米勒实验能够如此成功，另一方面也可能为我们在未来完成更进一步的发现指明道路。

首先，使用量子力学，可以计算出打破甲烷、氨等的化学键以产生氨基酸所需的能量。量子力学方程表明，米勒实验中的电火花有足够的能量来实现这一点。此外，它还向我们表明，如果破坏这些化学键所需的活化能要大得多，那么在这个实验系统当中，生命就永远不会出现了。

其次，我们看到碳有6个电子。2个位于第一能级轨道，其余的位于第二能级轨道的4个空间。这为碳原子留出4个化学键。在元素周期表中，有4个化学键的元素是十分稀少的。但量子力学理论可以帮助我们建立包括碳、氧和氢的又长又复杂的反应链，从而最终产生氨基酸。

最后，这些化学反应发生在水（H2O）中，H2O就像一个熔炉，不同的分子在这里相遇并形成更复杂的化学物质。利用量子力学，人们发现水分子的形状像字母L，并且可以计算出两个氢原子彼此成104.5度角。这反过来意味着水分子的净电荷在分子周围分布不均匀。这个净电荷足够大，可以分解其他化学物质的弱化学键，所以水可以溶解许多化学物质。

因此，我们看到基本的量子力学可以用来为生命的发生创造条件。

第二个突破直接来自量子力学。1944年，以波动方程闻名的埃尔温·薛定谔写了一本具有开创性意义的书《生命是什么？》。在书中，他惊人地宣称，生命本身是量子力学的一个副产品，生命的蓝图编码就存在于一个未知分子当中。

生命分子一定隐藏在细胞核的遗传物质中，其中大部分是由一种名为DNA的化学物质组成的。但由于像DNA这样的有机分子非常微小（甚至比可见光的波长还小），它们是不可见的，所以这项任务令人生畏。他们选择了一种间接的方法，利用基于量子理论的X射线晶体学过程来寻找这种神秘分子。

与可见光不同，X射线的波长可以和原子一样小。如果X射线穿过一个由数万亿个排列在某个晶格中的分子组成的晶体，散射的X射线就会形成一个独特的干涉图样，可以用照片绘制出来。经过仔细检查，受过训练的物理学家可以通过研究照相底板，来确定是什么结晶图案产生了这些图像。

在看过罗莎琳德·富兰克林拍摄的DNA的X射线照片后，克里克和沃森发现了一种模式，认为这种模式应该是由双螺旋结构产生的。在确定DNA的整体结构是一个双螺旋，就像两个相互包裹的楼梯之后，他们就能够在这种DNA结构的基础上，一个原子接一个原子地将DNA拼凑完整了。

量子力学可以帮助他们确定含有碳、氢和氧原子的化学键到底是以怎样的角度连接的。因此，就像孩子建造乐高玩具一样，他们重建了DNA的完整原子结构，并解释了它是如何实现自我复制的，而这种理论又为所有生物的成长发育做出了有效解释。

我们现在有了基于量子理论的数学方法，当然可以成功创建DNA分子的架构。

*文章为作者独立观点，不代表笔记侠立场。

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