量子計(jì)算機(jī)重塑人類未來(lái)(上)

1.瞬移

對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，理解量子力學(xué)的基本規(guī)律或?qū)傩圆⒎且资拢缌孔盈B加態(tài)，即一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同的疊加態(tài)，著名的思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”就形象地將這種狀態(tài)表述為“一只貓可以同時(shí)既是活的又是死的”。量子力學(xué)中另一個(gè)重要概念是量子糾纏，它是指兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論它們的距離有多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)改變。因此，從理論上說(shuō)，可以根據(jù)量子的糾纏特性實(shí)現(xiàn)任意距離的旅行。不過(guò)，如果人需要通過(guò)量子糾纏態(tài)的形式實(shí)現(xiàn)瞬移，那么這個(gè)人可能要處于既是“死”又是“活”的狀態(tài)。目前死亡依然是很多文化的禁忌，醫(yī)學(xué)上也不存在一個(gè)既是死的又是活著的人。但在量子的世界，每個(gè)人都有望成為“孫悟空”，不僅不懼生死，也能去任何地方旅行。

當(dāng)然，目前我們對(duì)生死的認(rèn)知基本上延續(xù)了過(guò)去數(shù)千年的生老病死觀。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)家大衛(wèi)·伊戈曼對(duì)人腦工作原理的理解，在未來(lái)或能自由下載或上傳我們的感知（包括任何情感、知識(shí)等）到任何一臺(tái)服務(wù)器，那么人類的延續(xù)或能徹底脫離肉身，變成電子或量子態(tài)的形式。若果真如此，人類的生死觀將會(huì)被徹底改變，瞬移將會(huì)變成我們?nèi)粘５囊徊糠郑拖駥O悟空，一個(gè)筋斗云飛出十萬(wàn)八千里。民間有句俗語(yǔ)：“光腳的不怕穿鞋的，不要命的不怕光腳的?！碑?dāng)一個(gè)人為了做成某事可以不要命，那么不管這件事有多難達(dá)成，最終也不會(huì)有太差的結(jié)果。英國(guó)詩(shī)人迪倫·托馬斯也有一句類似的名言“死亡也并非是所向披靡”，或許唯有如此，人類才能實(shí)現(xiàn)瞬移。

2.量子藥物設(shè)計(jì)

前段時(shí)間，美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家用深度學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn)了新型抗生素分子—halicin。halicin可以對(duì)抗多種細(xì)菌，展現(xiàn)了前所未有的廣譜抗菌能力，這是人類首次完全利用人工智能發(fā)現(xiàn)的新型抗生素。發(fā)現(xiàn)halicin的過(guò)程是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的，科學(xué)家用到了2335個(gè)已知具有抗菌活性的分子，包括大約300種已獲批使用的抗生素和800種從植物、動(dòng)物和微生物中得到的天然產(chǎn)物，最終通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型才篩選出最終結(jié)果。這一過(guò)程如果能在量子計(jì)算機(jī)上完成，可能只是一瞬間的事情。

藥物設(shè)計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)往往是新型病原體的變異速度遠(yuǎn)超藥物設(shè)計(jì)速度，這導(dǎo)致很多正處于研發(fā)階段的藥物被迫終止研發(fā)。以這次肆虐全球的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）為例，導(dǎo)致高傳染、高致死的新型冠狀病毒其本質(zhì)上是一種冠狀病毒科冠狀病毒屬的普通病毒，與2003年導(dǎo)致SARS疫情的病毒差別很小，那么為什么我們不能使用之前的藥物或疫苗來(lái)對(duì)付它呢？原因是，之前的藥物藥效的發(fā)揮都有特定的病毒結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)這些結(jié)合位點(diǎn)改變時(shí)，藥物將不再起作用。病毒的變異是非常快的，一個(gè)蛋白質(zhì)外殼或DNA/RNA鏈上一個(gè)堿基的改變都會(huì)使其轉(zhuǎn)變成新的毒株。以這次的新型冠狀病毒為例，它在短短幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就至少變異出北美洲、亞洲和歐洲三種類型，讓人防不勝防。如果使用量子計(jì)算機(jī)，我們或能根據(jù)病毒在不同人群中的傳播途徑，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)它們的變異方向并提前設(shè)計(jì)出特效藥。

3.量子解密

現(xiàn)在比較火的“量子密碼學(xué)”是一門通過(guò)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行加密/解密的新興學(xué)科。在密碼學(xué)領(lǐng)域，著名的RSA加密算法（RSA以三位發(fā)明者的姓氏首字母命名）是一種十分可靠的加密技術(shù)，只要其密鑰的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，用RSA加密的信息曾被認(rèn)為是不能被破解的。作為一種非對(duì)稱加密算法，目前世界上還沒有任何可靠的攻擊RSA算法的方式。但該神話將被量子計(jì)算機(jī)終結(jié)。確實(shí)，破解1024位長(zhǎng)的RSA算法，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可能需要幾十萬(wàn)年，而用一臺(tái)512個(gè)量子比特（qubits）的量子計(jì)算機(jī)理論上可以做到1秒破解。

隨著密鑰位長(zhǎng)的增加，破解難度急速增加。不少計(jì)算機(jī)科學(xué)家認(rèn)為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)幾乎不可能破解出大于2048位長(zhǎng)的RSA加密內(nèi)容，而2048位長(zhǎng)是RSA加密最常用的基礎(chǔ)形式。但是，谷歌的科學(xué)家于2019年發(fā)表的一個(gè)研究結(jié)果顯示，使用量子計(jì)算機(jī)僅用8小時(shí)就破解了2048位長(zhǎng)的RSA加密信息，這個(gè)運(yùn)算量對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī)而言則需要80年！

怪不得有人戲稱，我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)在量子計(jì)算機(jī)面前，充其量只是個(gè)算盤。可以說(shuō)，當(dāng)今世界的加密算法在量子計(jì)算機(jī)面前沒有秘密可言。不過(guò)，量子解密所破解的并非量子世界的密碼。道高一尺，魔高一丈，與量子解密這支鋒利的“矛”相抗衡的是量子加密這面厚實(shí)的“盾”。世界上幾乎所有有遠(yuǎn)見的國(guó)家都在積極開展量子加密/解密的研究，科學(xué)家們夜以繼日，正在展開激烈的角逐。毫無(wú)疑問，誰(shuí)先掌握量子加密/解密的技術(shù)，誰(shuí)就擁有至高無(wú)上的“量子霸權(quán)”。

4. 物種分類

看了前三個(gè)“驚心動(dòng)魄”的量子計(jì)算應(yīng)用實(shí)例，你或許覺得使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行物種分類是大材小用。非也。事實(shí)上，物種分類也是“大科學(xué)”，它與人類的登月計(jì)劃、基因組計(jì)劃及現(xiàn)在進(jìn)行得如火如荼的火星探索計(jì)劃一樣，都屬于大科學(xué)范疇。

傳統(tǒng)的植物分類確實(shí)可能只需要一支筆、一張紙或一根登山桿，但現(xiàn)在我們?cè)缫堰M(jìn)入基因時(shí)代，一個(gè)物種的系統(tǒng)演化位置不應(yīng)該僅由其形態(tài)學(xué)上的特征決定，還應(yīng)包括遺傳序列、表型、蛋白表達(dá)等其他生理生化信息?，F(xiàn)在的問題是，當(dāng)分子生物學(xué)研究結(jié)果與傳統(tǒng)形態(tài)分類系統(tǒng)相沖突時(shí)，大多數(shù)科學(xué)家（包括分子生物學(xué)家）都會(huì)站在傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)這方，可見我們對(duì)分類或物種的了解是多么有限。通過(guò)量子計(jì)算機(jī)整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組和表型組的多套數(shù)據(jù)重新定義一個(gè)物種，可能是未來(lái)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

遺憾的是，雖然物種分類學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科，但是目前科學(xué)家依然不能確定地球上到底有多少物種。據(jù)估計(jì)，物種的數(shù)量介于500萬(wàn)到5000萬(wàn)。如此之多的動(dòng)物、植物、真菌、細(xì)菌和病毒，它們的關(guān)系到底是什么，它們到底存在怎樣的演化關(guān)系，一直懸而未決。這些基礎(chǔ)科學(xué)難題或能通過(guò)量子計(jì)算機(jī)找到一些答案。

5.天氣預(yù)報(bào)

“天氣預(yù)報(bào)是世界難題”，這點(diǎn)從過(guò)去沒有計(jì)算機(jī)的年代到現(xiàn)在有超級(jí)計(jì)算機(jī)做大量運(yùn)算的時(shí)代一直是成立的。如果你想知道未來(lái)一周的天氣情況，天氣預(yù)報(bào)還是比較可靠的，準(zhǔn)確率可達(dá)80%;如果時(shí)間縮短到5天，準(zhǔn)確率則高達(dá)90%;未來(lái)3天或3天以內(nèi)的天氣幾乎是100%的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。但這樣的準(zhǔn)確率不是通過(guò)天數(shù)的增減可以線性推演的，如果預(yù)測(cè)10天后的天氣，準(zhǔn)確率不會(huì)降到65%，而是50%或更低;如果預(yù)測(cè)一個(gè)月以后的天氣狀況，即使使用世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也幾乎是不可能的。天氣預(yù)報(bào)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上是一個(gè)浩大的系統(tǒng)工程，里面牽涉到大量的運(yùn)算。預(yù)報(bào)的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在某些不確定性，當(dāng)這些不確定性疊加在一起就會(huì)使預(yù)報(bào)結(jié)果變得沒有意義。天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)，從本質(zhì)上講是我們對(duì)地球天氣系統(tǒng)的認(rèn)知還十分有限，另外一個(gè)原因是算力不夠。如果使用量子計(jì)算機(jī)或能大幅提高對(duì)天氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)算能力，將大幅提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率并延長(zhǎng)預(yù)報(bào)天數(shù)。以臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)為例，我們現(xiàn)在雖能預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)的路徑，但對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力相當(dāng)有限，而有時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度可能是更有意義的天氣參數(shù)。