致现代计算机掘墓人的诞生
文 | 金宏宇
经略研究院研究助理
导言
唯一可以确定的是我们正在目睹这场剧变的发生。我们有幸生活在一个“革命的年代”，政治的变革与技术的进展缠绕纠结。在这个年代，大写的人类历史远未终结，“构成历史的最基本的原则和制度”会有超出我们想象的发展。我们不是已经失去思考宏大主题能力的庸俗的“末人”和安于消费主义的布尔乔亚，相信岁月因为“人类意识形态发展”已经到达“终点”而静好;而是历史的主动创造者，“为之斗争的大事业”就在我们面前。
在我报考计算机专业的时候，并没有人告诉我量子力学也会成为这行的必修课——这是笔者对于2017年5月3日这条大新闻的第一印象。在这一天，中科院院士潘建伟教授宣布其团队构建了一台量子计算机——史上第一台比肩经典计算机的量子计算机。
自1946年第一台通用计算机ENIAC(电子数值积分计算机)诞生以来，更高更快更强就一直是人类的孜孜以求的目标。当然，这条探索之路并不平坦。计算机技术从电子管、晶体管、中小规模集成电路一步步走到了今天的超大规模集成电路，虽然整机重量从以吨为单位发展到了以克为单位，我们目前使用的经典计算机还是在原理层面上遭遇了不可逾越的屏障。今天，丧钟终于响起。
众所周知，现代计算机的基础是“0”和“1”，也就是半导体元器件的带电与不带电。周易有云：“两仪生四象，四象生八卦”，通过“0”和“1”的组合，经典计算机实现了从加减乘除四则运算到分析洋流和天文现象等等的复杂功能，还真应了那句“量天测海”。因为经典计算机的单个元器件功能只有简单的“开与关”，“0和1”，所以在有限的尺寸下实现强大的性能就要把单个元器件做到尽可能的小。元器件尺寸从8086处理器的微米级走到了今天的纳米级正是因为如此。然而受限于量子隧道效应，经典计算机的元器件尺寸不能无限缩小。尽管通过新的设计，目前芯片元器件尺寸已经从原本的35纳米理论极限被勉为其难的推到了10纳米级，但是物理学上的客观极限依然是存在的。预言了集成电路规模18个月翻一番的摩尔定律自2010年以来不再准确，也从侧面证实了经典计算机已然迟暮。
实际上，由于经典计算机受限于隧道效应、耗电和发热等因素，早在十几年前人们就有对“未来计算机”有着各种各样的展望。当时比较流行的概念有“蛋白质计算机”，“光脑”等等，现在看来则是量子计算机最有希望。量子力学原理我们暂且不表——正如开篇所言，笔者和大多数人一样，对量子力学的了解仅限于“量子力学”这四个字——不过我们可以从计算机基础原理上简要谈一谈量子计算机之于经典计算机的突破。如上文所言，经典计算机的基础是“0”和“1”，而且非黑即白，非“0”即“1”。目前量子计算机所使用的量子比特在一定程度上也是如此，但是区别在于，一个量子比特可以是“0”和“1”的叠加态，可以“阴中有阳，阳中有阴”。这意味着单个量子比特可以表达更多的信息，甚至能表达经典计算机无法表达的信息。
经典计算机的强大性能来自于元器件的庞大数量，也就是“2的n次方”，而稍有常识的人都可以看出，如果我们把“2的n次方”变成“3的n次方”，只要n足够大，这两个数字就会有云泥之别。比如说，2的10次方是1024，3的10次方是59049——已经差了一个数量级。进一步讲，量子计算机将来可以实现“(2+x)的n次方”，这是经典计算机所无法企及的高度。潘建伟院士这次展示的量子计算机可以精确控制10个比特的超导线路，其性能已经比历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机快10到100倍——要知道第一台电子管计算机ENIAC用了17468个真空管，第一台晶体管计算机TRADIC用了800个晶体管。除了运算速度的碾压，量子计算机还可以实现经典计算机在化学和材料学等领域难以实现或者根本无法实现的一些计算，从而在“实力碾压”的基础上再来一手“弯道超车”。根据推算，50量子比特级的量子计算机就可以在一些领域超越目前最强的超级计算机。虽然我们距离消费级产品依然很远，但是可以肯定，经典计算机的掘墓人已经诞生。
正因为量子计算机相对于经典计算机的绝对霸权，包括微软、谷歌、IBM、洛克希德·马丁、NASA在内的多家企业和研究机构都在此领域展开了激烈竞争。2016年，马里兰大学构建了第一台可编程的5量子比特级计算机;同年，IBM上线5量子比特级的云服务“量子体验”(IBM Quantum Experience);而谷歌联合NASA、加州大学圣芭芭拉分校创下了9量子比特级量子计算机的世界纪录——当然，这一纪录已被中科院打破。中科院团队构建出了史上第一台超越了早期经典计算机的量子计算机，而在此之前其他量子计算机连四十年代古董电脑的门槛都没摸到。潘建伟院士曾表示，其团队将于2017年底实现20量子比特级的操纵并上线云服务，2030年研制出具有50-100个量子比特的通用量子计算原型机，突破大规模量子计算机的芯片工艺，从物理层设计、制造，到算法运行实现自主研发，全面实现通用量子计算功能，并应用于大数据处理等重大实际问题。中国团队能在如此激烈竞争中赢得一手先机，着实不易。
不难想象，在即将到来的量子计算机面前，诸位手中的智能手机与PC将无异于原始人的结绳记事。量子计算机之于经典计算机，堪比内燃机之于蒸汽机，第二次工业革命之于第一次工业革命。信息处理能力的质变带来的是人类社会的彻底改变。1944年代号“女武神”的政变行动中施陶芬堡花了几个小时才把行动开始的信号传达给所有的政变参与者，最终行动被希特勒用电台广播粉碎。而2016年土耳其政变中埃尔多安则通过社交网络上的一条手机自拍视屏成功煽动拥护者走上街头阻挠政变，甚至政变的全过程在全球范围内实现了实时直播。每一次信息技术的突破性发展都为各自的时代染上了自己的色彩，量子计算机也不会例外!
当然，今天的我们无法预言量子计算机时代的具体模样——正如阿西莫夫所言，无数人曾经预言人类终将登上月球，可没有人想到登月过程可以实现全球直播;活在1850年的人即便看到未来的纽约高楼林立，恐怕也难以想象其中每隔几层就会有餐厅和旅店——因为他们很难想象到“电梯”这么个东西;大明王朝的皇帝肯定无法理解，临高的元老们来自于一个法律之下人人平等的社会;当然我们也不能理解刘慈欣笔下“归零者”这样的高等文明的社会治理会是什么样子。这一切变革都是技术革命带来的。
总之，我们已经一脚踏在了下一次技术革命的门槛上，而生产力的巨大进步将带来生产方式的改变，产业革命势必引发社会革命。火药轰开了骑士的城堡，蒸汽机和内燃机则让资本主义制度在全球建立并稳固起来。量子计算机(也许再算上可控核聚变这一在本世纪可能实现的商业运营先进能源技术)会使我们的社会形态发生怎样的改变，我们还不知道。
唯一可以确定的是我们正在目睹这场剧变的发生。我们有幸生活在一个“革命的年代”，政治的变革与技术的进展缠绕纠结。在这个年代，大写的人类历史远未终结，“构成历史的最基本的原则和制度”会有超出我们想象的发展。我们不是已经失去思考宏大主题能力的庸俗的“末人”和安于消费主义的布尔乔亚，相信岁月因为“人类意识形态发展”已经到达“终点”而静好;而是历史的主动创造者，“为之斗争的大事业”就在我们面前。
写到最后，笔者还是要感慨一下，几天前笔者还在通宵写一个摇骰子赌大小的小程序，也许几年后这些技术就会被扫进故纸堆。现在笔者只想尽快找一本量子力学入门读物。伯利恒之星已经闪耀，是时候准备黄金、乳香和没药了。毕竟人类社会的历史是不会终结的，只是那些跟不上时代的人终结了自己的历史而已。
(经略研究院研究助理林梓对此文亦有微小的贡献)
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