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一场革命正在来临。
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。
首先，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。麻省理工学院主办期刊《技术评论》称谷歌的此次研发是一项重大突破，甚至将其与人造卫星的首次发射或者莱特兄弟的首次飞行相媲美，认为其开创了“让当今最强大的计算机看起来就像是算盘的计算机新时代” [1] 。
紧随其后，中国科学院量子创新研究院 [2] 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。
IBM（国际商业机器公司）副总裁鲍伯·苏托尔在对量子计算机快速崛起发表相关评论时说道：“我认为这将是21世纪最重要的计算技术。” [3]
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。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。量子计算机有很大可能将为我们的经济、社会以及生活方式开创一个全新的时代。
同时，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，即使在不考虑时间限制这个维度的情况下也是如此。比如，数字计算机没有能力准确计算原子之间是如何结合并发生关键化学反应的，尤其是那些与生命科学相关的化学反应。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。再如，在对迷宫中的老鼠所走过的路径开展烦琐的计算时，数字计算机是通过一条接一条地分析每一条可能路径的笨拙方式来实现的，而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。
量子计算机显露出的强大性能，加剧了计算机巨头之间的竞争。这些巨头都想制造出世界上最强大的量子计算机。2021年，IBM推出了自己的量子计算机“Eagle”（鹰）。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。
但这些记录其实恰恰就像馅饼皮——只是为了打破而存在。
正因为意识到这场革命即将带来深刻影响，所以世界上许多领头雁公司都选择在这项新技术上斥以巨资，就不足为奇。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。硅谷的这些领头雁已经意识到，自己必须紧跟这场革命的步伐，否则就会被淘汰。
IBM、霍尼韦尔和里格蒂计算公司都已经在互联网上公开了自己研发的第一代量子计算机，因此公众有机会首次与量子计算亲密接触，并不断被激发出对量子计算的好奇和兴趣。人们可以通过连接互联网上的量子计算机亲自体验这场新的量子革命。比如，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。三星和摩根大通也是其用户。目前，每个月约有2 000人使用量子计算机，使用者包括从小学生到教授的各大群体。
华尔街也对这项技术抱有浓厚兴趣。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。更令人震惊的是，资本竞争似乎比技术竞争更激烈，以至于一家名为PsiQuantum的初创公司在没有制造出任何能够看到商业价值的原型机，也没有任何产业业绩记录的情况下，其估值在华尔街一下子就飙升到了31亿美元，创造了一夜之间得到6.65亿美元的传奇故事。连商业分析师都表示，他们很少见到这种事——一家新公司仅仅靠狂热的投机浪潮以及耸人听闻的头条新闻，就能在短时间内达成如此高的商业价值。
咨询和会计公司德勤预计，量子计算机市场在21世纪20年代将达到数亿美元，而在21世纪30年代将达到数百亿美元。尽管没有人能够准确判断量子计算机究竟会在哪个时点踏入商业市场并改变整个经济格局，但相关预测一直在不断调整，以适应该领域前所未有的科学技术发明速度。针对量子计算机迅速崛起这一热潮，萨帕塔计算公司（Zapata Computing）首席执行官克里斯托弗·萨瓦的观点是：“不再有‘是’或者‘否’的问题，只是‘何时’的问题。” [4]
对此现象感兴趣的不仅仅是企业，美国国会也表现出愿意帮助启动新兴量子技术的兴趣。在意识到其他国家已经开始对量子计算机研究进行慷慨资助之后，美国国会通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act），提供种子基金以激发该领域的创新研究。该法案授权成立2~5个新的国家量子信息科学研究中心，每个中心每年可以获得8 000万美元的资助。
2021年，美国政府还宣布将在量子技术领域投资6.25亿美元，由美国能源部监管。微软、IBM和洛克希德·马丁等大公司还为该项目额外捐助了3.4亿美元。
动用政府资金来加速量子技术研究的国家不止中国和美国，英国政府目前也正在建设国家量子计算中心，计划设置在牛津郡科学技术设施委员会的哈韦尔实验室，是专门为量子计算研究而设立的。在政府推动下，截至2019年底，英国共有30家量子计算机初创公司顺利成立。
行业分析人士认识到，一场万亿美元的赌博已经开始。之所以说是一场赌博，是因为这个领域的竞争相当激烈，并且没有任何保障。尽管包括谷歌在内的公司近年来已经取得了令人印象深刻的技术成就，但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。对于我们追求的量子计算机而言，艰巨的工作仍然摆在面前。一些评论家甚至宣称这可能是一场徒劳无功的追逐，但计算机公司早就想明白的是，尽管成功的可能性很小，但只要存在，它们就必须提前做好准备，否则在浪潮来临之后，自己面临的就只有被淘汰。
正如麦肯锡咨询公司的合伙人伊万·奥斯托伊奇所说的那样：“凡是量子技术最有可能彻底颠覆的行业，其相关公司都应该尽早参与到量子技术中来。” [5] 同时，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。他补充道：“原则上，量子技术将会与所有公司及其首席信息官息息相关，因为这种技术可以加速解决与信息相关的一系列问题，所以这些公司需要成为量子能力的所有者。”
加拿大量子计算公司D-Wave Systems前任首席执行官维恩·布朗内尔则明确表示：“我们坚信，人类正处于突破经典计算所无法提供的功能的浪潮之巅。”
而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。一些看上去甚至和计算机生产毫无关联的公司，如梅赛德斯-奔驰的母公司汽车行业巨头戴姆勒集团，也已经在这项新技术方面开展了投资，意识到量子计算机未来将会为自己在行业中的新发展铺平道路。作为奔驰竞争对手的宝马，其高管尤利乌斯·马尔恰这样写道：“我们非常荣幸研究量子计算推动汽车行业变革的潜力，并且致力于扩大工程性能的极限。” [6] 其他大公司，包括大众、空中客车，也都已经成立了自己的量子计算研究部门，正在不断探索这项新技术将会如何彻底改变自己的业务。
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。它们现在所用的专门用于测试数百万种药物的庞大设备，也许突然有一天会被在网络空间当中就能完成药物测试的“虚拟实验室”所取代。还有一些人担心，也许药剂师这个行业未来将不复存在。但药物发现领域的博主德里克·洛说：“并不是新机器会取代药剂师，而是会使用新机器的药剂师将取代不会使用新机器的同行。” [7]
瑞士日内瓦郊外有一座大型强子对撞机，它是目前世界上最大的科学机器，能够以14万亿电子伏特的能量完成质子撞击，从而模拟早期宇宙形成的条件，而即使是这样一个高精尖的大家伙，现在也在借助量子计算机来筛选堆积如山的数据。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。也许真的有一天，量子计算机会揭开宇宙诞生的秘密。
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。他们认为，量子计算机想要超越数字计算机还有很长的路要走，短则几十年，长则可能几个世纪。毕竟，在单个原子而不是在硅片上完成计算，在科学家看来技术上是极难实现的。哪怕是最轻微的振动或噪声都会扰乱量子计算机中原子的精细工作。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。
该领域中不断发布的卓越成就引起了广泛的关注和震动，甚至惊动了各国政界以及绝密情报机构。一些告密者提供的资料表明，美国中央情报局和美国国家安全局都在密切关注该领域的发展。这是因为量子计算机的功能非常强大，原则上，成熟的量子计算机可以破解所有已知的网络代码。这就意味着，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。意识到情况的紧迫性之后，负责制定国家政策和标准的美国国家标准与技术研究院（NIST）最近发布了指导方针，主动帮助大公司和机构制订计划，使它们能够更平稳地过渡到这个可能无法避免的新时代。美国国家标准与技术研究院宣称，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。
在《福布斯》杂志上，阿里·埃尔·卡法拉尼撰文指出：“对任何需要保护敏感信息的机构而言，这都是一个令人望而生畏的前景。” [8]
中国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。各国花费数百亿美元甚至更多，来小心翼翼地保护这些密码。有了量子计算机之后，黑客就有能力闯入地球上任何一台数字计算机，从而扰乱工业运转甚至军事行动。所有敏感信息都将有机会被提供给出价最高的人。而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。当然，量子计算机还可能解锁区块链，严重破坏比特币市场。据德勤的估计，大约25%的比特币有可能受到量子计算机的黑客攻击。
数据软件信息技术公司CB Insights在一份报告中总结：“那些运行区块链项目的人可能正密切关注量子计算的每一个进步。” [9]
因此，与数字技术紧密相连的经济世界实际上正处于危险之中。华尔街的银行会使用数字计算机来跟踪数十亿美元大体量的交易。工程师则用数字计算机设计着摩天大楼、桥梁和火箭。艺术家也在通过数字计算机来完成好莱坞大片的动画制作。制药公司会使用数字计算机来开发下一种特效药。孩子也通过使用数字计算机，和朋友一起玩最新的电子游戏。至关重要的是，如今我们严重依赖手机来获取朋友、同事和亲人发来的即时消息，恐怕大家都有过因找不到手机而陷入恐慌的经历。事实上，当前人类的生活很难不依赖数字计算机。人类是如此依赖数字计算机，以至于如果世界上所有的数字计算机突然停止工作了，那么人类文明也就陷入混乱了。这也是为什么科学家如此密切地关注量子计算机发展。
到底是什么导致这场混乱和争议发生的呢？
量子计算机的兴起实际上标志着硅时代开始接近尾声。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。摩尔定律指出，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。这项发明是人类历史上前所未有的，没有其他任何发明能在如此短的时间内产生如此普遍的影响。
计算机这项发明在登上历史舞台后，已历经许多发展阶段，每一个新阶段的到来都极大地增强了计算机的能力，并且推动了重大的社会变革。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。那时候，工程师还只能使用旋转的圆柱体、齿轮、传动装置和轮毂来完成简单的算术运算。到了20世纪之交，这些计算装置开始使用电力运转，于是继电器和电缆取代了齿轮系统。到第二次世界大战期间，计算机已经可以通过使用大量真空管进行复杂计算来破解政府高级密码。第二次世界大战后，真空管升级为晶体管，而随着晶体管的体积不断实现微缩，计算机的速度和功率也实现了持续进步。
早在20世纪50年代，只有五角大楼和跨国银行等政府机构或大公司才能买得起大型计算机。这些计算机的功能非常强大（例如，ENIAC [10] 可以在30秒内完成人类可能需要20小时才能完成的计算任务），但它们的价格昂贵、体积庞大，常常需要占据办公楼的整整一层。后来，微芯片彻底改变了这个局面，经过几十年的发展，微芯片的尺寸不断减小，直到现在，指甲盖大小的芯片都容纳着大约10亿个晶体管。如今，孩子用来玩电子游戏的手机比以前五角大楼用过的要占用一间屋子的笨重家伙的计算功能更强大，我们包袋里的笔记本电脑也比“冷战”时期那些庞大的电脑更先进。
一切都将成为过去。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。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。
正如英特尔公司的桑贾伊·纳塔拉詹所说的：“我们认为，我们已经从这个体系结构中挤出了所有你认为能够挤出的空间。” [11]
下一轮技术浪潮来临后，硅谷最终很有可能变成新“锈带” [12] 。
虽然现在放眼望去，一切似乎都还风平浪静，但是这个新未来迟早会排山倒海而来。正如谷歌人工智能实验室主任哈特穆特·内文所说：“表面上看起来什么都没有发生，没有任何风浪——直到你突然喊出‘哎哟，我怎么就来到这个全新世界了呢’。” [13]
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？
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。信息的最小单位，即单个数字，被称为“位”。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。例如，你的互联网连接速度可以用每秒的比特数（缩写为bps）来衡量，所以1G带宽就是指每秒有10亿多个字节被发送到你的电脑，因此你可以比较流畅地实时访问电影、电子邮件、文档等。
然而，1959年诺贝尔奖得主理查德·费曼观察到了一种不同的数字信息方法。在一次名为“底部有足够的空间”的颇具预言性、开创性的演讲，以及后来发表的论文中，费曼都曾提问：“为什么不考虑用原子状态取代0和1序列从而制造出一台原子计算机呢？为什么不用尽可能小的物质——原子去代替晶体管呢？”
原子就像一个一直旋转的陀螺。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。数字计算机的计算能力与计算机中的位数（0或1）直接相关。
但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。例如，可能存在这样一种状态，原子有10%的时间是自旋向上的、90%的时间是自旋向下的，或者有65%的时间是自旋向上的、35%的时间是自旋向下的。事实上，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。因此，原子表现出能够携带更多信息的属性，这时基本单位也不再是一个比特，而是一个量子位，即同步实现向上和向下的不同组合。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。对比之下，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”。（这就意味着，常见的通用定律在原子水平上不再适用。因为在原子这个特殊维度上，原子中的电子甚至可以同时在两个不同状态下存在，而大型物体是不可能做到这一点的，它们不可能同时出现在两个不同地方。）
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”。与每一个比特都是处于相对独立的存在状态有所不同，每当增加一个新的量子位时，这个量子位都会与之前的所有量子位发生相互作用，从而使原来的量子位之间可能发生相互作用的次数直接增加一倍。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。
举个例子，当下的量子计算机已经可以拥有100多个量子位。这就意味着，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。
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。因此，在Sycamore这样的量子计算机面前，任何传统计算机都相形见绌。
无论是对商业还是对科学来说，量子计算机的强大计算能力带来的影响都将是巨大的。当我们从数字经济的世界过渡到量子经济的世界时，更大的风险也将随之而来。
接下来的一个关键问题就是：到底是什么阻碍了我们在当今时代去营销如此强大的量子计算机呢？为什么那些野心勃勃的发明家不赶快推出一款可以破解任何已知代码的量子计算机呢？
理查德·费曼在首次提出量子计算机概念时就预见到量子计算机有可能需要面对的问题。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”。然而，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。由此产生的脆弱性，就是量子计算机目前所面临的主要问题。那么接下来，这个价值数万亿美元的问题是：我们能控制量子退相干吗？
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。但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。
这种操作本身就将一个谜题摆在了我们面前。大自然是在室温下顺利地使用量子力学的。比如，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。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。即使是在温暖、晴朗的日子里，外部条件带来的干扰也会导致原子水平上的混乱，但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。倘若有一天，我们真正清楚了大自然母亲是如何在室温下施展魔法的，我们才能说自己已经成为真的量子科学大师甚至是生命科学大师。
尽管短期内量子计算机确实会对各国网络安全形成潜在威胁，但从长远来看，它们的发明具有重大现实意义，或者说它们有能力彻底改变世界经济，并开创量子医学时代，帮助人类治愈以前无法治愈的疾病，从而创造一个可持续发展的未来。
细数起来，量子计算机在许多领域都将超越传统数字计算机。
在过去的时代，财富往往是用石油或者黄金来衡量的。
发展到现在，财富已经越来越多地开始用数据来衡量。以前，公司往往会把过期的财务数据处理掉；但今日，即使是过去的信息也是非常有价值的，甚至高于贵金属的价值。然而，筛选堆积如山的数据可能会让传统的数字计算机不堪重负。这恰是量子计算机的用武之地。量子计算机通过分析一家公司的财务状况，可能会找到阻碍其发展的一些因素。
事实上，摩根大通已经开始与IBM和霍尼韦尔合作，用这些工具来分析自己的数据，从而更好地预测财务风险和不确定性，提高自己的运营效率。
一旦量子计算机实现了使用搜索引擎对数据中的关键因素进行识别，那么下一个问题便是如何利用这种技术来最大限度地实现一些调整来达成特定目标，比如提升利润。因为至少在利润层面，一些大公司、大学和政府机构都能通过使用量子计算机来最大限度地减少开支，从而提高效率和利润。例如，一家公司的净收益取决于数百个因素，包括工资、销售额、费用等，这些因素随着时间的推移会迅速发生变化。而对所有因素进行实时动态组合，以最大限度地提高利润率，这是传统数字计算机所不能完成的。再如，一家金融公司可以使用量子计算机来预测不同金融产品市场的未来趋势，这些市场每天开展的交易量可能都在数十亿美元，而量子计算机是能够轻松处理这些交易的。这些都是通过量子计算机的强大算力可以实现优化的地方。
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。例如，工程公司可以使用量子计算机来计算飞机和汽车的空气动力学，从而找到最大限度地减少摩擦力、降低成本和最大限度地提高效率的理想状态。再如，政府也可以使用量子计算机来实现对天气变化的预测，从确定飓风的路径到计算全球变暖将如何影响未来几十年的经济和我们的生活方式等，这些都能得以实现。又如，科学家还可以使用量子计算机在巨型核聚变机器中找到磁体的最佳配置，以利用氢聚变的力量，甚至真的做到“把太阳装进瓶子里”。
但和上述优势比起来，也许使用量子计算机的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。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。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。而届时，生物学、医学和化学也都将被简化成为量子力学。实现计算化学意味着我们要创建一个“虚拟实验室”，从而在量子计算机的内存中实现对新药、治疗方法的快速尝试，而不再需要经历几十年的试错，以及缓慢且不厌其烦的实验室实验等传统方法。因为相较于进行成千上万次复杂、昂贵又耗时的化学实验，简单地按下量子计算机上的按钮会方便得多。
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。人工智能目前已经在工业和医学领域证实了自己的价值。然而，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。与传统数字计算机不同，筛选堆积如山的数据的能力是量子计算机的强项之一。因此，如果能够实现人工智能与量子计算机的交叉融合，那么量子计算机的强大算力必然可以显著提高它们解决各种问题的能力。
量子计算机未来有潜力改变现有的各行各业。甚至可以说，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。近几十年以来，未来学家和梦想家一直在预测可再生能源对化石燃料的逐步淘汰，从而彻底解决使地球不断变暖的温室效应问题。这些未来学家和梦想家一点都不吝惜对可再生能源优点的赞美。
但人类对太阳能时代的追逐已经逐渐偏离轨道。
尽管风力涡轮机和太阳能电池板的成本有所下降，但它们仍然只占据世界能源产出的一小部分。那么问题就来了：究竟发生了什么？
每一项新技术都必须直面一个底线：成本。几十年来，太阳能和风能备受赞誉，但发电商不得不面对这样一个事实，即太阳能和风能的平均价格仍然比化石燃料要高。原因很清楚：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。
太阳能时代的关键瓶颈——电池经常被人们忽略。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。
但值得注意的是，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。但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。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。此外，电池储能的量只能达到汽油储能水平的一小部分。
量子计算机则可以改变这一点。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。
公用事业和汽车公司已经在使用IBM的第一代量子计算机来尝试解决电池的相关问题，试图提高下一代锂硫电池的容量和充电速度。然而这只是影响气候的方法之一。与此同时，埃克森美孚公司也正在使用IBM的量子计算机研发用于低能耗处理和碳捕获的新化学品，尤其希望量子计算机能够实现对材料的模拟，并以此确定这些材料的某一些化学性质，例如材料的热容。
量子计算公司PsiQuantum的创始人杰里米·奥布赖恩强调，这场革命绝不仅仅是为了制造更快的计算机。 [14] 恰恰相反，这场革命真正关注的是如何解决问题，比如对复杂化学反应和生物反应的模拟，这是传统计算机无论花多少时间都无法解决的问题。
他说道：“我们谈论的不是如何更快或更好地做事……而是怎样才能做到这些事……解决这些问题已经远远超出了我们所能建造出的任何传统数字计算机的能力范畴……即使我们把地球上的每一个硅原子都变成超级数字计算机，我们仍然无法解决这类难题。”
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。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。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。
既然量子计算机有能力帮助我们优化生存环境甚至延续植物生命，那么它们也可能有能力帮助我们治愈病人和垂死之人。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。
量子计算机可以回答以下类似问题：是什么导致健康细胞突然癌变的，如何阻止癌变的发生？阿尔茨海默病的病因到底是什么？为什么帕金森病和肌萎缩侧索硬化（ALS）无法治愈？人类已经知道了冠状病毒会发生变异，但是这些变异病毒的危险性到底有多大，它们对治疗的反应究竟是怎样的？
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。但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。这两种情况精确到分子层面的作用机理对于人类而言仍然是个谜，而量子计算机可能为我们如何有效地开发更好的疫苗和抗生素提供新思路。
当谈到人类对自己身体的探索时，首先要提到的具有重大意义的事件就是人类基因组计划，该计划列出了构成人体的30亿个碱基对和2万个基因。而这仅仅是一个开始。目前的问题是，传统数字计算机主要用于在已知遗传密码的庞大数据库中实现搜索，而一旦涉及准确解释DNA（脱氧核糖核酸）和蛋白质如何在体内创造奇迹时，传统数字计算机就无能为力了。蛋白质是非常复杂的物质，通常由数千个原子组成，当分子作用魔力般地发生时，这些原子实际上正以某种特定且无法解释的方式折叠成一个个小球。回到最基本的层面上，可以说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。
量子计算机则能够引领我们步入一个新阶段。届时，我们将在分子水平上破译作用机理，搞清楚这些原子到底是怎样工作的。科学家也因此能够探索出新的遗传途径和新的治疗方法，征服目前人类无法治愈的一些疾病。
例如，一些制药公司，包括ProteinQure（一家生物技术初创公司）、Digital Health 150（全球数字医疗150强）、默克（Merck）和渤健（Biogen）等，已经在设立一些研发中心，探索如何利用量子计算机来完成药物影响的相关分析。
令科学家感到惊讶的是，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。但这些数十亿年来一直运行着的作用机理实际上只是偶然性和随机自然选择的副产品。这就是为什么我们仍然患有某些不治之症，并且无法逃脱人体衰老的过程。而一旦我们了解到这些分子作用的机理到底是怎样的，我们就能够通过量子计算机来实现对这些作用机理的改进或者创建出新版本。
例如，通过DNA基因组学，我们可以使用计算机识别BRCA1（乳腺癌1号基因）和BRCA2（乳腺癌2号基因）等可能导致乳腺癌症的基因，但传统数字计算机没有能力准确地确定这些缺陷基因究竟是如何导致癌变发生的。一旦癌变扩散到全身，目前的研究是无能为力的。但是，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。
另一个例子是阿尔茨海默病。一些人认为随着世界人口的老龄化，阿尔茨海默病将成为“世纪疾病”。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。但是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。
一个主要的相关理论是，阿尔茨海默病由朊病毒引起，而朊病毒是一种在大脑中错误折叠的淀粉样蛋白。当“变节”分子撞上另一个蛋白质分子时，也会导致该分子以错误的方式折叠。因此，即使不涉及细菌和病毒，这种疾病也可以通过接触传播。人们怀疑，“变节”的朊病毒可能是阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化和其他一系列针对老年人的不治之症的罪魁祸首。
正因如此，蛋白质折叠问题成为生物学中最大的未知领域之一。甚至可以说，揭开蛋白质折叠问题，就有可能揭开生命的奥秘。但是蛋白质分子折叠方式的精确研究已经超出了任何传统数字计算机的能力范畴，目前只有寄希望于量子计算机来提供新的途径，帮助人类中和“变节”蛋白并提供新的治疗方法。
此外，上文所提到的人工智能与量子计算机的融合，也可能成就未来医学。像AlphaFold（阿尔法折叠）这样的人工智能程序，目前已经能够绘制出令人震惊的35万种不同类型蛋白质的详细原子结构图，包括构成人体的整套蛋白质。那么下一步，便是使用量子计算机的强大算力所助力实现的独特方法，来研究这些蛋白质究竟是如何发挥其魔力的，并利用这些新发现来探索新一代有效药物及疗法。
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。放在你桌子上的笔记本电脑永远不会通过学习而实现自我改造，所以它并不会变得更强大。直到最近，随着深度学习技术有了新进展，计算机才迈出自动识别错误和学习的第一步。而量子计算机则可以成倍地加速这一学习过程，并对医学和生物学产生不可估量的影响。
谷歌首席执行官孙达尔·皮柴将量子计算机的到来与莱特兄弟1903年那次具有历史意义的飞行相提并论。莱特兄弟的试飞本身并没有那么令人惊讶，因为飞行其实只持续了短短12秒。但这次短途飞行是引发现代航空业的导火索，而现代航空业的发展又反过来加速了人类文明的进程。
上述这些都关系到人类的未来。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。但是，要想真正了解这场革命可能对人类日常生活产生的影响，就需要先回顾过去为了实现使用计算机模拟和了解周围世界的梦想所做的一些勇敢的尝试。
而所有这一切，都要从在地中海底部被发现的已有2 000年历史的神秘遗迹开始。
[1] Gordon Lichfield,“Inside the Race to Build the Best Quantum Computer on Earth,” MIT Technology Review, February 26, 2020, 1–23.
[2] 该机构全称为“中国科学院量子信息与量子科技创新研究院”，简称“量子创新研究院”。——译者注
[3] Yuval Boger, interview with Dr. Robert Sutor, The Qubit Guy ’ s Podcast, October 27, 2021; www.classiq.io/insights/podcast-with-dr-robert-sutor.
[4] Matt Swayne,“Zapata Chief Says Quantum Machine Learning Is a When, Not an If,” The Quantum Insider, July 16,2020; www.thequantuminsider.com/2020/07/16/zapata-chief-says quantum-machine-learning-is-a-when-not-an-if/.
[5] Daphne Leprince-Ringuet,“Quantum Computers Are Coming, Get Ready for Them to Change Everything,” ZDNet, November 2, 2020; www.zdnet.com/article/quantum computers-are-coming-get-ready-for-them-to-change-everything/.
[6] Dashveenjit Kaur,“BMW Embraces Quantum Computing to Enhance Supply Chain,” Techwire/Asia, February 1, 2021; www.techwireasia.com/2021/02/bmw-embraces-quantum computing-to-enhance-supply-chain/.
[7] Cade Metz,“Making New Drugs with a Dose of Artificial Intelligence,” The New York Times, February 5, 2019; www.nytimes .com/2019/02/05/technology/artificial-intelligence drug-research-deepmind .html.
[8] Ali El Kaafarani,“Four Ways That Quantum Computers Can Change the World,” Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com /sites/forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-could-change-the-world/?sh=7054e3664602.
[9] “How Quantum Computers Will Transform These 9 Industries,” CB Insights, February 23,2021; www.cbinsights.com /research/quantum-computing-industries-disrupted/.
[10] ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer，“埃尼阿克”），即电子数字积分计算机，是继ABC（阿塔纳索夫-贝瑞计算机）之后全世界第二台电子计算机和第一台通用计算机。——译者注
[11] Matthew Hutson,“The Future of Computing,” ScienceNews; www.sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-ethics.
[12] 锈带（Rust Belt），是指随着工业化发展阶段产生变化，发展地位和财富水平均出现下降的地带，最为典型的是美国北部衰败且萧条的工业区，这个地区过去曾经有很多工业，但时至今日已经既不具备发展地位的重要性，也不具备强大的财富积累能力，甚至许多工厂已经关闭。——译者注
[13] James Dargan,“Neven’s Law: Paradigm Shift in Quantum Computers,” Hackernoon, July 1, 2019; www.hackernoon.com/nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers e6c429ccd1fc.
[14] Nicole Hemsoth,“With $3.1 Billion Valuation, What’s Ahead for PsiQuantum?,” The Next Platform, July 27, 2021; www.nextplatform.com /2021/07/27/with-3-1b-valuation-whats ahead-for-psiquantum/.