致現代計算機掘墓人的誕生
文 | 金宏宇
經略研究院研究助理
導言
唯一可以確定的是我們正在目睹這場劇變的發生。我們有幸生活在一個“革命的年代”，政治的變革與技術的進展纏繞糾結。在這個年代，大寫的人類歷史遠未終結，“構成歷史的最基本的原則和制度”會有超出我們想象的發展。我們不是已經失去思考宏大主題能力的庸俗的“末人”和安于消費主義的布爾喬亞，相信歲月因為“人類意識形態發展”已經到達“終點”而靜好;而是歷史的主動創造者，“為之斗爭的大事業”就在我們面前。
在我報考計算機專業的時候，并沒有人告訴我量子力學也會成為這行的必修課——這是筆者對于2017年5月3日這條大新聞的第一印象。在這一天，中科院院士潘建偉教授宣布其團隊構建了一臺量子計算機——史上第一臺比肩經典計算機的量子計算機。
自1946年第一臺通用計算機ENIAC(電子數值積分計算機)誕生以來，更高更快更強就一直是人類的孜孜以求的目標。當然，這條探索之路并不平坦。計算機技術從電子管、晶體管、中小規模集成電路一步步走到了今天的超大規模集成電路，雖然整機重量從以噸為單位發展到了以克為單位，我們目前使用的經典計算機還是在原理層面上遭遇了不可逾越的屏障。今天，喪鐘終于響起。
眾所周知，現代計算機的基礎是“0”和“1”，也就是半導體元器件的帶電與不帶電。周易有云：“兩儀生四象，四象生八卦”，通過“0”和“1”的組合，經典計算機實現了從加減乘除四則運算到分析洋流和天文現象等等的復雜功能，還真應了那句“量天測海”。因為經典計算機的單個元器件功能只有簡單的“開與關”，“0和1”，所以在有限的尺寸下實現強大的性能就要把單個元器件做到盡可能的小。元器件尺寸從8086處理器的微米級走到了今天的納米級正是因為如此。然而受限于量子隧道效應，經典計算機的元器件尺寸不能無限縮小。盡管通過新的設計，目前芯片元器件尺寸已經從原本的35納米理論極限被勉為其難的推到了10納米級，但是物理學上的客觀極限依然是存在的。預言了集成電路規模18個月翻一番的摩爾定律自2010年以來不再準確，也從側面證實了經典計算機已然遲暮。
實際上，由于經典計算機受限于隧道效應、耗電和發熱等因素，早在十幾年前人們就有對“未來計算機”有著各種各樣的展望。當時比較流行的概念有“蛋白質計算機”，“光腦”等等，現在看來則是量子計算機最有希望。量子力學原理我們暫且不表——正如開篇所言，筆者和大多數人一樣，對量子力學的了解僅限于“量子力學”這四個字——不過我們可以從計算機基礎原理上簡要談一談量子計算機之于經典計算機的突破。如上文所言，經典計算機的基礎是“0”和“1”，而且非黑即白，非“0”即“1”。目前量子計算機所使用的量子比特在一定程度上也是如此，但是區別在于，一個量子比特可以是“0”和“1”的疊加態，可以“陰中有陽，陽中有陰”。這意味著單個量子比特可以表達更多的信息，甚至能表達經典計算機無法表達的信息。
經典計算機的強大性能來自于元器件的龐大數量，也就是“2的n次方”，而稍有常識的人都可以看出，如果我們把“2的n次方”變成“3的n次方”，只要n足夠大，這兩個數字就會有云泥之別。比如說，2的10次方是1024，3的10次方是59049——已經差了一個數量級。進一步講，量子計算機將來可以實現“(2+x)的n次方”，這是經典計算機所無法企及的高度。潘建偉院士這次展示的量子計算機可以精確控制10個比特的超導線路，其性能已經比歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機快10到100倍——要知道第一臺電子管計算機ENIAC用了17468個真空管，第一臺晶體管計算機TRADIC用了800個晶體管。除了運算速度的碾壓，量子計算機還可以實現經典計算機在化學和材料學等領域難以實現或者根本無法實現的一些計算，從而在“實力碾壓”的基礎上再來一手“彎道超車”。根據推算，50量子比特級的量子計算機就可以在一些領域超越目前最強的超級計算機。雖然我們距離消費級產品依然很遠，但是可以肯定，經典計算機的掘墓人已經誕生。
正因為量子計算機相對于經典計算機的絕對霸權，包括微軟、谷歌、IBM、洛克希德·馬丁、NASA在內的多家企業和研究機構都在此領域展開了激烈競爭。2016年，馬里蘭大學構建了第一臺可編程的5量子比特級計算機;同年，IBM上線5量子比特級的云服務“量子體驗”(IBM Quantum Experience);而谷歌聯合NASA、加州大學圣芭芭拉分校創下了9量子比特級量子計算機的世界紀錄——當然，這一紀錄已被中科院打破。中科院團隊構建出了史上第一臺超越了早期經典計算機的量子計算機，而在此之前其他量子計算機連四十年代古董電腦的門檻都沒摸到。潘建偉院士曾表示，其團隊將于2017年底實現20量子比特級的操縱并上線云服務，2030年研制出具有50-100個量子比特的通用量子計算原型機，突破大規模量子計算機的芯片工藝，從物理層設計、制造，到算法運行實現自主研發，全面實現通用量子計算功能，并應用于大數據處理等重大實際問題。中國團隊能在如此激烈競爭中贏得一手先機，著實不易。
不難想象，在即將到來的量子計算機面前，諸位手中的智能手機與PC將無異于原始人的結繩記事。量子計算機之于經典計算機，堪比內燃機之于蒸汽機，第二次工業革命之于第一次工業革命。信息處理能力的質變帶來的是人類社會的徹底改變。1944年代號“女武神”的政變行動中施陶芬堡花了幾個小時才把行動開始的信號傳達給所有的政變參與者，最終行動被希特勒用電臺廣播粉碎。而2016年土耳其政變中埃爾多安則通過社交網絡上的一條手機自拍視屏成功煽動擁護者走上街頭阻撓政變，甚至政變的全過程在全球范圍內實現了實時直播。每一次信息技術的突破性發展都為各自的時代染上了自己的色彩，量子計算機也不會例外!
當然，今天的我們無法預言量子計算機時代的具體模樣——正如阿西莫夫所言，無數人曾經預言人類終將登上月球，可沒有人想到登月過程可以實現全球直播;活在1850年的人即便看到未來的紐約高樓林立，恐怕也難以想象其中每隔幾層就會有餐廳和旅店——因為他們很難想象到“電梯”這么個東西;大明王朝的皇帝肯定無法理解，臨高的元老們來自于一個法律之下人人平等的社會;當然我們也不能理解劉慈欣筆下“歸零者”這樣的高等文明的社會治理會是什么樣子。這一切變革都是技術革命帶來的。
總之，我們已經一腳踏在了下一次技術革命的門檻上，而生產力的巨大進步將帶來生產方式的改變，產業革命勢必引發社會革命。火藥轟開了騎士的城堡，蒸汽機和內燃機則讓資本主義制度在全球建立并穩固起來。量子計算機(也許再算上可控核聚變這一在本世紀可能實現的商業運營先進能源技術)會使我們的社會形態發生怎樣的改變，我們還不知道。
唯一可以確定的是我們正在目睹這場劇變的發生。我們有幸生活在一個“革命的年代”，政治的變革與技術的進展纏繞糾結。在這個年代，大寫的人類歷史遠未終結，“構成歷史的最基本的原則和制度”會有超出我們想象的發展。我們不是已經失去思考宏大主題能力的庸俗的“末人”和安于消費主義的布爾喬亞，相信歲月因為“人類意識形態發展”已經到達“終點”而靜好;而是歷史的主動創造者，“為之斗爭的大事業”就在我們面前。
寫到最后，筆者還是要感慨一下，幾天前筆者還在通宵寫一個搖骰子賭大小的小程序，也許幾年后這些技術就會被掃進故紙堆。現在筆者只想盡快找一本量子力學入門讀物。伯利恒之星已經閃耀，是時候準備黃金、乳香和沒藥了。畢竟人類社會的歷史是不會終結的，只是那些跟不上時代的人終結了自己的歷史而已。
(經略研究院研究助理林梓對此文亦有微小的貢獻)
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