量子计算机如何重塑人类未来(1)
你可能无法想象，一篇自2019年10月23日在《自然》杂志上发表以来已被引用505次(截止到2020年5月底)的论文，到底是一篇什么样的论文。即使对于发表在《自然》这样的顶级科技期刊上的论文来说，能在短时间内受到如此多的引用和关注，也是不多见的。
这篇热度极高的论文的主题是量子计算，它是一份介绍谷歌量子计算机Sycamore强大计算能力的研究报告。谷歌量子人工智能实验室的科学家在该报告中称，Sycamore仅花200秒完成的计算工作量，世界上最强大的传统计算机需要1万年才能完成。虽然IBM的科学家后来通过算法改进发现不是1万年，而是2.5天，但这个结果对量子领域的科学家而言依然意义重大，它非常直观地展现了“量子优越性”。
Sycamore或许已经迈出了人类进入量子计算时代的第一步。那么，量子计算机将会如何改变或重塑人类未来的生活呢？
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对于我们来说，理解量子力学的基本规律或属性并非易事，如量子叠加态，即一个量子系统可以处在不同的叠加态，著名的思想实验“薛定谔的猫”就形象地将这种状态表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。量子力学中另一个重要概念是量子纠缠，它是指两个微观粒子处于纠缠态，不论它们的距离有多远，对其中一个粒子的状态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。因此，从理论上说，可以根据量子的纠缠特性实现任意距离的旅行。不过，如果人需要通过量子纠缠态的形式实现瞬移，那么这个人可能要处于既是“死”又是“活”的状态。目前死亡依然是很多文化的禁忌，医学上也不存在一个既是死的又是活着的人。但在量子的世界，每个人都有望成为“孙悟空”，不仅不惧生死，也能去任何地方旅行。
当然，目前我们对生死的认知基本上延续了过去数千年的生老病死观。根据神经生物学家大卫·伊戈曼对人脑工作原理的理解，在未来或能自由下载或上传我们的感知(包括任何情感、知识等)到任何一台服务器，那么人类的延续或能彻底脱离肉身，变成电子或量子态的形式。若果真如此，人类的生死观将会被彻底改变，瞬移将会变成我们日常的一部分，就像孙悟空，一个筋斗云飞出十万八千里。民间有句俗语：“光脚的不怕穿鞋的，不要命的不怕光脚的。”当一个人为了做成某事可以不要命，那么不管这件事有多难达成，最终也不会有太差的结果。英国诗人迪伦·托马斯也有一句類似的名言“死亡也并非是所向披靡”，或许唯有如此，人类才能实现瞬移。
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前段时间，美国麻省理工学院的科学家用深度学习模型发现了新型抗生素分子—halicin。halicin可以对抗多种细菌，展现了前所未有的广谱抗菌能力，这是人类首次完全利用人工智能发现的新型抗生素。发现halicin的过程是漫长而复杂的，科学家用到了2335个已知具有抗菌活性的分子，包括大约300种已获批使用的抗生素和800种从植物、动物和微生物中得到的天然产物，最终通过深度学习模型才筛选出最终结果。这一过程如果能在量子计算机上完成，可能只是一瞬间的事情。
药物设计面临的最大挑战往往是新型病原体的变异速度远超药物设计速度，这导致很多正处于研发阶段的药物被迫终止研发。以这次肆虐全球的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)为例，导致高传染、高致死的新型冠状病毒其本质上是一种冠状病毒科冠状病毒属的普通病毒，与2003年导致SARS疫情的病毒差别很小，那么为什么我们不能使用之前的药物或疫苗来对付它呢？原因是，之前的药物药效的发挥都有特定的病毒结合位点，当这些结合位点改变时，药物将不再起作用。病毒的变异是非常快的，一个蛋白质外壳或DNA/RNA链上一个碱基的改变都会使其转变成新的毒株。以这次的新型冠状病毒为例，它在短短几个月的时间内就至少变异出北美洲、亚洲和欧洲三种类型，让人防不胜防。如果使用量子计算机，我们或能根据病毒在不同人群中的传播途径，精准预测它们的变异方向并提前设计出特效药。
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现在比较火的“量子密码学”是一门通过量子计算机强大的计算能力进行加密/解密的新兴学科。在密码学领域，著名的RSA加密算法(RSA以三位发明者的姓氏首字母命名)是一种十分可靠的加密技术，只要其密钥的长度足够长，用RSA加密的信息曾被认为是不能被破解的。作为一种非对称加密算法，目前世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。但该神话将被量子计算机终结。确实，破解1024位长的RSA算法，传统的计算机可能需要几十万年，而用一台512个量子比特(qubits)的量子计算机理论上可以做到1秒破解。
随着密钥位长的增加，破解难度急速增加。不少计算机科学家认为传统计算机几乎不可能破解出大于2048位长的RSA加密内容，而2048位长是RSA加密最常用的基础形式。但是，谷歌的科学家于2019年发表的一个研究结果显示，使用量子计算机仅用8小时就破解了2048位长的RSA加密信息，这个运算量对于超级计算机而言则需要80年!
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怪不得有人戏称，我们现在使用的计算机在量子计算机面前，充其量只是个算盘。可以说，当今世界的加密算法在量子计算机面前没有秘密可言。不过，量子解密所破解的并非量子世界的密码。道高一尺，魔高一丈，与量子解密这支锋利的“矛”相抗衡的是量子加密这面厚实的“盾”。世界上几乎所有有远见的国家都在积极开展量子加密/解密的研究，科学家们夜以继日，正在展开激烈的角逐。毫无疑问，谁先掌握量子加密/解密的技术，谁就拥有至高无上的“量子霸权”。
看了前三个“惊心动魄”的量子计算应用实例，你或许觉得使用量子计算机进行物种分类是大材小用。非也。事实上，物种分类也是“大科学”，它与人类的登月计划、基因组计划及现在进行得如火如荼的火星探索计划一样，都属于大科学范畴。
, http://www.100md.com(高建国)
这篇热度极高的论文的主题是量子计算，它是一份介绍谷歌量子计算机Sycamore强大计算能力的研究报告。谷歌量子人工智能实验室的科学家在该报告中称，Sycamore仅花200秒完成的计算工作量，世界上最强大的传统计算机需要1万年才能完成。虽然IBM的科学家后来通过算法改进发现不是1万年，而是2.5天，但这个结果对量子领域的科学家而言依然意义重大，它非常直观地展现了“量子优越性”。
Sycamore或许已经迈出了人类进入量子计算时代的第一步。那么，量子计算机将会如何改变或重塑人类未来的生活呢？
1.瞬移
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对于我们来说，理解量子力学的基本规律或属性并非易事，如量子叠加态，即一个量子系统可以处在不同的叠加态，著名的思想实验“薛定谔的猫”就形象地将这种状态表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。量子力学中另一个重要概念是量子纠缠，它是指两个微观粒子处于纠缠态，不论它们的距离有多远，对其中一个粒子的状态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。因此，从理论上说，可以根据量子的纠缠特性实现任意距离的旅行。不过，如果人需要通过量子纠缠态的形式实现瞬移，那么这个人可能要处于既是“死”又是“活”的状态。目前死亡依然是很多文化的禁忌，医学上也不存在一个既是死的又是活着的人。但在量子的世界，每个人都有望成为“孙悟空”，不仅不惧生死，也能去任何地方旅行。
当然，目前我们对生死的认知基本上延续了过去数千年的生老病死观。根据神经生物学家大卫·伊戈曼对人脑工作原理的理解，在未来或能自由下载或上传我们的感知(包括任何情感、知识等)到任何一台服务器，那么人类的延续或能彻底脱离肉身，变成电子或量子态的形式。若果真如此，人类的生死观将会被彻底改变，瞬移将会变成我们日常的一部分，就像孙悟空，一个筋斗云飞出十万八千里。民间有句俗语：“光脚的不怕穿鞋的，不要命的不怕光脚的。”当一个人为了做成某事可以不要命，那么不管这件事有多难达成，最终也不会有太差的结果。英国诗人迪伦·托马斯也有一句類似的名言“死亡也并非是所向披靡”，或许唯有如此，人类才能实现瞬移。
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2.量子药物设计
前段时间，美国麻省理工学院的科学家用深度学习模型发现了新型抗生素分子—halicin。halicin可以对抗多种细菌，展现了前所未有的广谱抗菌能力，这是人类首次完全利用人工智能发现的新型抗生素。发现halicin的过程是漫长而复杂的，科学家用到了2335个已知具有抗菌活性的分子，包括大约300种已获批使用的抗生素和800种从植物、动物和微生物中得到的天然产物，最终通过深度学习模型才筛选出最终结果。这一过程如果能在量子计算机上完成，可能只是一瞬间的事情。
药物设计面临的最大挑战往往是新型病原体的变异速度远超药物设计速度，这导致很多正处于研发阶段的药物被迫终止研发。以这次肆虐全球的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)为例，导致高传染、高致死的新型冠状病毒其本质上是一种冠状病毒科冠状病毒属的普通病毒，与2003年导致SARS疫情的病毒差别很小，那么为什么我们不能使用之前的药物或疫苗来对付它呢？原因是，之前的药物药效的发挥都有特定的病毒结合位点，当这些结合位点改变时，药物将不再起作用。病毒的变异是非常快的，一个蛋白质外壳或DNA/RNA链上一个碱基的改变都会使其转变成新的毒株。以这次的新型冠状病毒为例，它在短短几个月的时间内就至少变异出北美洲、亚洲和欧洲三种类型，让人防不胜防。如果使用量子计算机，我们或能根据病毒在不同人群中的传播途径，精准预测它们的变异方向并提前设计出特效药。
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3.量子解密
现在比较火的“量子密码学”是一门通过量子计算机强大的计算能力进行加密/解密的新兴学科。在密码学领域，著名的RSA加密算法(RSA以三位发明者的姓氏首字母命名)是一种十分可靠的加密技术，只要其密钥的长度足够长，用RSA加密的信息曾被认为是不能被破解的。作为一种非对称加密算法，目前世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。但该神话将被量子计算机终结。确实，破解1024位长的RSA算法，传统的计算机可能需要几十万年，而用一台512个量子比特(qubits)的量子计算机理论上可以做到1秒破解。
随着密钥位长的增加，破解难度急速增加。不少计算机科学家认为传统计算机几乎不可能破解出大于2048位长的RSA加密内容，而2048位长是RSA加密最常用的基础形式。但是，谷歌的科学家于2019年发表的一个研究结果显示，使用量子计算机仅用8小时就破解了2048位长的RSA加密信息，这个运算量对于超级计算机而言则需要80年!
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怪不得有人戏称，我们现在使用的计算机在量子计算机面前，充其量只是个算盘。可以说，当今世界的加密算法在量子计算机面前没有秘密可言。不过，量子解密所破解的并非量子世界的密码。道高一尺，魔高一丈，与量子解密这支锋利的“矛”相抗衡的是量子加密这面厚实的“盾”。世界上几乎所有有远见的国家都在积极开展量子加密/解密的研究，科学家们夜以继日，正在展开激烈的角逐。毫无疑问，谁先掌握量子加密/解密的技术，谁就拥有至高无上的“量子霸权”。
4. 物种分类
看了前三个“惊心动魄”的量子计算应用实例，你或许觉得使用量子计算机进行物种分类是大材小用。非也。事实上，物种分类也是“大科学”，它与人类的登月计划、基因组计划及现在进行得如火如荼的火星探索计划一样，都属于大科学范畴。
, http://www.100md.com(高建国)