在過去的幾年裡，隨著人工智慧的快速發展引起了公眾的廣泛關注和嚴格審查，另一種關鍵技術已經在很大程度上淡出了公眾的視野。量子計算曾經局限於抽象理論的領域，它試圖使用基於量子力學的運算來解決以前被認為無法解決的計算問題。儘管該技術仍處於起步階段，但很明顯，量子運算可能在未來幾十年對國家安全和全球經濟產生深遠影響。
Charina Chou、詹姆斯·馬尼卡和哈特穆特·(Charina Chou, James Manyika, and Hartmut Neven) 發表在最新一期《外交事務》(Foreign Affairs) 的<引領量子未來的競賽>( The Race to Lead the Quantum Future)告訴我們，下一次運算革命將如何改變全球經濟並顛覆國家安全。(How the Next Computing Revolution Will Transform the Global Economy and Upend National Security)。作者Charina Chou是Google量子人工智慧的董事兼營運長。James Manyika和Hartmut Neven都是Google工程量子人工智慧負責人。
中國對量子開發的投資五年內支出 153 億美元
自 2010 年代末期以來，美國和許多其他已開發國家越來越多地參與量子資訊科學和技術領域的領先地位競爭，該領域涵蓋量子計算、量子通訊和量子感測。過去十年，全球已有 20 個國家的政府宣布對量子開發的投資總額超過 400 億美元；光是中國就承諾在五年內支出 153 億美元。 2016年，北京將發展量子技術列為國家優先事項，並創建了先進的生產中心。就美國而言，2018年頒布了《國家量子計畫》，該法案旨在保持該國在量子資訊及其應用方面的技術和科學領先地位。美國政府已宣布提供 37 億美元的非機密資金，以及更多用於國防研究和開發的資金。除了政府主導的措施外，私營部門和學術界也在進行多項研究和開發工作。
量子技術的崛起已經開始影響國際政策
儘管這些投資與美國和國際上對人工智慧的資助相比仍然相形見絀，但量子技術的崛起已經開始影響國際政策。 2019年，美國宣布了與日本的雙邊「量子合作聲明」 ，並於2023年加強了該聲明。 。美國也在各種經濟和安全論壇上討論了量子議題，包括 AUKUS（澳洲、英國和美國之間的三邊防禦協定）；澳洲、印度、日本和美國之間的四方安全對話；以及美國-歐盟貿易和技術理事會。新美國安全中心的一位分析師在11 月美國總統大選後表示，即將上任的政府必須“在頭100 天內迅速採取行動，以重振美國的量子競爭力”，這突顯了華盛頓對這項技術日益增長的擔憂。
量子技術的被視為國家安全問題
迄今為止，量子技術的出現在很大程度上被視為國家安全問題。自1990 年代以來，研究人員已經認識到，強大的量子電腦構成的最大威脅之一是其作為密碼破譯工具的潛力，能夠穿透當今世界上最先進的通訊系統和數位網路所使用的加密。這種擔憂促使美國政府開發並倡導採用抗量子密碼技術，加強對量子技術及相關產品的出口管制，並與工業界、學術界和地方政府建立以行動為導向的合作夥伴關係。
但對密碼破解的關注導致政策制定者忽略了量子技術的其他重要應用。事實上，在量子機器能夠破解先進的加密系統之前——即使在技術開發出來之後，這種能力也需要巨大的運算能力——它們可能會對包括能源和製藥在內的許多經濟領域產生變革性的影響。如果有效利用量子技術，可以刺激創新、科學發現、經濟成長和機會。就純粹的人類影響而言，量子機器可以實現的一些突破可以與目前預計來自人工智慧的突破相媲美。因此，該技術在開放社會中開發尤為重要，並有明確的護欄以確保其用於慈善目的。
贏得量子競賽並不容易。中國已經在量子通訊等一些領域處於領先地位，未來幾年，美國的集中創新和領導力對於保持美國的競爭力至關重要。美國及其國際合作夥伴將需要投入更多資源來實現其量子項目，並且必須發展量子產業和強大的量子供應鏈來支持這些項目。如果美國及其盟國未能將這些努力作為核心戰略目標和決策優先事項，他們可能會失去外交影響力、軍事力量以及對強大新技術進行監督的能力。他們也可能錯過開闢經濟和社會進步新道路的機會。
模擬自然，你最好讓它成為量子力學的
量子電腦的概念最早由理論物理學家、諾貝爾獎得主理查德·費曼(Richard Feynman) 於1981 年提出。光和其他亞奈米尺度物體——宇宙中一切事物的建構模組——遵循與日常生活中的物體根本不同的規則。例如，與遵循經典力學的簡單規則的球不同，電子同時表現為粒子和波，它們的位置無法精確定義。
費曼的見解是，要真正理解量子力學世界以及宇宙本身的一般運作，有必要建造一台根據相同定律運行的電腦。 “該死，自然不是經典的，”他說，“如果你想模擬自然，你最好讓它成為量子力學的。”
事實證明，費曼的洞察力是有先見之明的。此後的四十多年裡，遵循「經典」設計的電腦徹底改變了地球：今天的袖珍手機的功能是 20 世紀 80 年代笨重的桌上型個人電腦的一百萬倍。摩爾定律——電腦晶片上的電晶體數量每兩年就會增加一倍——在半導體產業中繼續廣泛適用，儘管有多種預測稱其會消亡。現今最好的超級電腦每秒可以處理五兆次（即十億億次）運算。然而，隨著這場革命的不斷成熟，人們越來越清楚地認識到，某些計算現在甚至仍將超越最好的經典電腦的能力。
這是因為現有的電腦技術受到其運作的基本前提的限制。所有形式的經典計算，無論是算盤、個人筆記型電腦還是國家安全設施中的高效能機器集群，都遵循學者所說的布林邏輯。在這個系統中，資訊的基本單位是位，它是可以呈現兩種狀態之一的對象，通常稱為 0 或 1。極其複雜的問題，例如對千位數字進行因式分解、計算具有數百個原子的分子的反應動力學，或解決許多領域中常見的某些類型的最佳化問題。
粒子可以以多種狀態的同時組合存在
相較之下，利用量子力學，量子計算就不存在同樣的限制。量子物理學的一個教訓——一個令人震驚且違反直覺的教訓——是粒子可以以多種狀態的同時組合存在。因此，量子運算使用量子位元或量子位元來代替位元，而是使用其非此即彼操作，這是一個可以同時處於狀態0 和1 的系統。 ）傳達了這是一種巨大的計算優勢，當更多的量子位元一起工作時，這種優勢就會增強。經典電腦必須依序處理一個又一個狀態，而量子電腦可以並行探索多種可能性。想像一下試圖找到穿過迷宮的正確路徑：傳統計算機必須逐條嘗試每條路徑；量子電腦可以同時探索多條路徑，使其執行某些任務的速度提高幾個數量級。值得注意的是，與流行的簡化相反，量子電腦不僅僅是一組並行工作的巨大經典電腦。儘管透過量子處理器可以探索指數級多種可能的答案，但最終只能測量一種組合。因此，從量子電腦得出解決方案需要巧妙的程式來放大正確的答案。
量子機器可以帶來與現在預計來自人工智慧的突破相媲美的突破。
一個主要挑戰是弄清楚如何建立足夠大且穩定的量子處理器，以便為有意義的問題產生一致的結果。這類處理器往往對其環境極為敏感，容易受到溫度變化、振動和其他幹擾的影響，導致系統出現各種錯誤。由於計算保真度依賴量子位元來保持相干性，因此研究人員正在大力投資於提高量子位元品質的方法，包括新設計、晶片製造流程和糾正量子位元錯誤的技術。
現今的量子運算面臨許多挑戰和未知因素
目前，設計量子位元的方法有很多種，每種方法都有自己的優點和缺點。原則上，任何量子力學系統──原子、分子、離子、光子──都可以被塑造成一個量子位元。在實踐中，可製造性、可控性、效能和計算速度等因素決定了最可行的路徑。當今的領先研究包括超導、中性原子、光子和離子陷阱量子位。目前尚不清楚哪種方案（如果有的話）會成功。除了建構處理器之外，其他挑戰還包括如何封裝量子位元、傳輸訊號和運行應用程式。研究人員必須使用低溫冰箱，它可以將超導量子位元冷卻到絕對零度以上千分之一度以內，為操作提供超冷、黑暗和安靜的環境。這些高度專業化組件的專業知識來自許多國家的不同來源。如今，包括亞馬遜、Google、IBM 和 QuEra 在內的各種「全端」量子運算公司都在嘗試將組件整合到最終產品中。簡而言之，現今的量子運算面臨許多挑戰和未知因素，持續發展需要大量的工程創新。顯而易見的是，任何方法要成功，都必須可靠、可擴展且具有成本效益。
量子電腦能夠分解非常大的數字
全面量子電腦的競賽是由多種動機驅動的。最根本的是，量子運算有望為以前認為無法解決的問題提供答案——世界上最好的經典電腦需要花費數億年才能破解這些難題。這類中最著名的問題是整數分解，或將一個數字分解為幾個較小數字的乘積：即使是最快的超級電腦也無法分解非常大的數字。這意味著基於分解的最先進的密碼學形式現在無法被破解。但量子計算機可能會改變這一點。
1994 年，電腦科學家 Peter Shor 證明量子電腦能夠分解非常大的數字。當時，這樣的電腦仍停留在理論領域，但隨著技術的開始發展，肖爾的洞察力引發了人們的擔憂，即量子處理器有一天可能能夠破解最先進的加密技術。如今，國家安全專家認為，敵對的國家和私人行為者已經在針對新技術收集加密訊息，這種方法被稱為「現在存儲，稍後解密」攻擊。
對電子、分子和材料進行精確計算的能力
但解密只是量子電腦的一種可能的應用，而且可能還需要十多年的時間。正如費曼的直覺，基於量子的計算更明顯的用途與量子模擬有關，即對電子、分子和材料等量子系統進行精確計算的能力，而這些應用程式可能會更快開始投入使用。量子處理器已經為物理學中許多高度專業化領域的發現做出了貢獻，包括準粒子工程、多體動力學、自旋輸運、金屬輸運、時間晶體、蟲洞動力學和磁化。有了一台全尺寸、全功能的量子計算機，其可能性是令人震驚的。考慮農業肥料。目前，固氮（從氮氣中生產氨所需的化學過程）是能源密集產業，佔世界年度能源預算的百分之二。這是因為該反應中使用的工業催化劑效率很低。事實上，天然存在的FeMoco 分子（生物固氮催化劑）的效率要高得多，但它還無法化學合成或以工業規模分離，而且其作用機制已被證明對現有的計算技術來說太具有挑戰性。然而，借助量子計算機，研究人員或許能夠執行了解 FeMoco 反應機制所需的困難計算，從而設計出可以節省大量能源的受 FeMoco 啟發的催化劑。
贏得量子競賽並不容易。
服用藥物，這需要藥物分子與體內分子有效地相互作用。為了模擬細胞色素 P450（一種酵素家族，主要負責藥物代謝以及患者對藥物的反應）的行為，傳統電腦需要大量的計算能力。有了量子計算機，這可以更有效地完成，從而帶來重要的抗病創新。在化學和材料行業，量子計算可以為電動車更高效的電池和船舶的防腐蝕元件的設計提供資訊。量子電腦也可能有助於解決將核融合反應器轉變為永續能源的問題。
另一個有前景的應用領域是機器學習領域。對量子資料（電子、磁性和描述量子系統行為的其他資訊）進行經典電腦訓練需要大量資料和處理時間。相較之下，量子電腦在量子資料上的訓練所需的樣本數量呈指數級減少才能完成一項任務。隨著效率的巨大提高，這些機器可以用來學習和預測無數化學品和材料的行為。目前，尚不清楚量子電腦在學習經典資料（例如支撐當今人工智慧系統的文字、音訊和視訊資料）方面是否具有優勢。然而，量子運算已經受益於經典人工智慧的進步：研究人員正在使用大型語言模型、變壓器模型和其他人工智慧架構來幫助設計量子設備、開發軟體並改進量子糾錯。
優化計算對全球經濟的重要性
當然，照理說，量子電腦在本身就是量子力學的應用上應該有天然的優勢。不太明顯的是，量子電腦可以在解決某些類型的非量子力學問題（例如因數分解）方面提供巨大的收益。事實上，研究人員和數學家已經發現了 60 種演算法，可以讓量子電腦比傳統電腦更快解決問題。正如上面的例子所證明的，其中一些加速是指數級的；其他的則不那麼引人注目，但仍然比傳統計算機有顯著的進步。
一個熱門的研究領域是優化研究。給定一組變量，優化旨在找到最有效的解決方案，財務規劃師、運輸物流經理和運動教練等都在使用最佳化。優化也是人工智慧系統的核心。考慮到優化計算對全球經濟的重要性，即使其中一小部分能夠以更快、更便宜和更少的能源執行，其影響也將是不可估量的。
機器速度更快，風險更大
量子運算的可能性令人鼓舞，但該技術目前的限制也令人警醒。從今天開始，要獲得一些最有前途的應用所需的先進系統，需要整合非常複雜的組件並克服無數的挑戰。因此，許多設想的應用可能還需要數年時間才能實現。例如，根據目前的估計，與目前最好的原型相比，一台能夠破解程式碼的量子電腦將需要大約 40,000 倍數量的物理量子位，並且物理錯誤率將降低五倍。能夠進行簡單化學計算的量子電腦的成本大約要低兩個數量級，但它們也將依賴更先進的技術。
中國研究人員無疑還有尚未公開的重大進展
衡量量子發展現狀的一個指標可以從谷歌在 2018 年發布的路線圖中得出。在第一個任務上；開發邏輯量子位元的原型；展示實際的邏輯量子位元；為多個邏輯量子位元之間的操作建構邏輯閘；產生 100 個邏輯量子位元，被認為是簡單量子模擬的起點；並產生 1,000 個邏輯量子位元以進行更複雜的模擬。 （破解電腦需要更先進的能力。）Google已經實現了前兩個里程碑，並於2024 年12 月推出了Willow，這是一種新型量子處理器，能夠在幾分鐘內解決基準演算法，該演算法需要最快的演算法之一如今，超級電腦的完成需要驚人的 1025 年。其他組織（包括 IBM、IonQ 和 QuEra）也發布了自己的大規模糾錯量子電腦路線圖。中國的研究人員，尤其是中國科學技術大學的研究人員，已經實現了Google的第一個里程碑，並展示了具有數百個量子位元的處理器。與該領域的其他參與者一樣，中國研究人員無疑還有其他尚未公開的重大進展。
為了評估量子競賽的現狀，美國國防部的研究部門國防高級研究計劃局 (DARPA) 最近宣布了一項量子基準計劃，以確定任何量子運算方法是否可以透過以下方式實現公用事業規模的運作： 2033年。這樣的壯舉，加上改進的糾錯方法和更有效率的演算法，將使世界非常接近量子模擬。
公共加密可能永遠無法安全抵禦量子攻擊
根據目前的估計，直到 2030 年代末，研究人員不太可能實現第一台真正的量子密碼破解機——具有數百萬量子位元和足夠糾錯的量子電腦。即便如此，這樣的計算機也需要幾個小時才能分解一個大數。儘管如此，美國及其國際合作夥伴現在為這項技術做好準備仍然至關重要。儘管網路的可用性很長，但其實施新安全標準的速度一直很慢。開發、測試和完善一套量子安全標準需要數年時間。自 2016 年以來，美國國家標準與技術研究院一直致力於為後量子世界制定密碼學標準。 2024 年 8 月，NIST 宣布了第一組三種經典加密演算法作為可立即使用的標準，並附有整合到加密系統和其他產品中的說明。儘管這套演算法不受當今所有已發布的解密方法的影響，但其中的一個或多個在將來可能會受到攻擊。隨著新研究表明公共加密可能永遠無法完全安全地抵禦量子攻擊，此類擔憂變得更加緊迫。
巨大的前景，但也帶來了重大的新風險
與其他強大的新技術一樣，量子運算擁有巨大的前景，但也帶來了重大的新風險。除了大規模資料竊取、經濟破壞和情報洩漏之外，量子電腦還可以用於惡意目的，例如模擬和合成化學武器或優化無人機群的飛行軌跡。與人工智慧一樣，誤用或濫用的可能性引發了關於誰應該控制該技術以及如何減輕最嚴重威脅的關鍵問題。政策制定者需要確定如何最大化經濟和社會利益，同時最小化危險。要找到實現這種平衡的最佳方法需要民間社會內部進行嚴格的辯論，並需要公眾了解該技術的潛在利益和危害。擁有量子電腦的世界有多種未來。最好的情況是自由民主國家領導技術的發展和集體管理。更糟的是，美國及其國際夥伴透過不作為或行動不足，將新技術的主導地位讓給中國和其他專制國家。
量子飛躍完善量子電腦是一項大膽的項目
完善量子電腦是一項大膽、雄心勃勃、多方面的項目，不是任何公司或國家都能獨自完成的。今天的早期系統已經需要數以千計的專用零件、工具和儀器；先進的製造和低溫設施；以及在數十個技術領域的世界級掌握，所有這些都得到了數十億美元的研發投資的支持。明天的系統將明顯更加複雜。如果美國要在這場競賽中處於領先地位，並與其國際盟友一起建立最先進的量子運算系統，就必須允許量子工作者進行跨部門和跨國界的合作。有效的合作可以使自由民主國家相對於更封閉的獨裁國家有顯著優勢。
對於當今許多從事量子系統研究的公司來說，量子處理器是其智慧財產權皇冠上的明珠，並且在本國製造：谷歌在美國製造量子晶片，牛津量子電路公司在英國生產量子晶片，而 Alice &鮑勃在法國就是這麼做的。在每種情況下，這些晶片均用於內部研發；在某些情況下，第三方可以存取早期原型。正如半導體產業所證明的那樣，任何國家保持國內能力來建立戰略組件都具有地緣政治優勢。
華盛頓需要建立強大的量子運算供應鏈。
但為了在本地製造處理器並整合完整的電腦系統，也必須擁有必要的人才。這需要政府實體、產業以及研究和教育機構之間的合作。量子計算公司可以透過分享其預期的勞動力需求並提供在職培訓機會來支持這一過程。由於量子運算所需的技能集高度專業化，因此不可能每個國家（甚至任何一個國家）都能夠培養出所需的所有人才。我們自己在量子運算方面的工作涉及與美國、歐洲和亞太地區 100 多個學術機構和產業合作夥伴的合作。美國及其盟國應該明智地實施簽證、移民和出口管制政策，讓這一關鍵領域的公司能夠招募最有才華的科學家、工程師和技術人員。 9月，美國商務部朝著這個方向邁出了重要一步，宣布了新規則，其中包括視同出口豁免，以促進高技能國際工人在美國就業。
華盛頓及其國際合作夥伴還需要為量子運算的所有子系統和組件建立強大的供應鏈。許多必要的組件現在並將繼續在世界各地的不同地點生產。例如，建造超導量子位元需要許多與英特爾和台積電等公司擁有的先進半導體製造設施中使用的相同工具；這些工具是在法國、德國、荷蘭和美國等國家製造的。低溫冰箱所需的專業知識只有少數公司擁有，其中大多數位於英國和歐盟。還有其他組件，例如控制電子設備和佈線，是由以色列、日本和台灣以及美國和歐盟的專業公司設計的。個別國家可能會掌握不同的部分，但志同道合的國家需要共同努力，拼湊出完整的拼圖，並使其遠離獨裁國家的影響。
量子運算的成功不能只靠科學家來實現
為了充分發揮量子運算的潛力，需要許多不同學科的創造性思維來開發該技術的用途。早期有幾項旨在培育開發者生態系統的努力，包括DARPA 的量子基準測試計劃，該計劃衡量潛在應用領域的進展，以及XPRIZE 量子應用程序，這是一項為期三年、耗資500 萬美元的國際競賽，旨在為現實世界的挑戰產生新的量子計算演算法。收益將來自於軟體開發人員創建簡單的存取介面、學術界和企業領導者使用這些介面來解決對他們來說最重要的問題，以及消費者和民間社會就他們認為最有價值的內容提供意見。
就像人類登上月球或對人類基因組中所有基因進行定序的競賽一樣，量子運算的成功和安全發展不能只靠科學家來實現。這需要幾個世代的公共和私人承諾，投入資源和人才，以及富有遠見的國際外交。量子電腦將為美國和世界許多其他國家創造非凡的機會。它們還將帶來新的風險，包括濫用或濫用的可能性，以及可能對世界秩序的衝擊。如果這些危險能夠得到控制，量子運算在加速人類進步和建立更美好未來方面的潛力將是令人難以置信的。