量子霸权

作者简介

世界知名物理学家，科学畅销书作者，超弦理论创始人之一，纽约城市大学研究生中心理论物理学教授。他拥有哈佛大学学士学位和加州大学伯克利分校物理学博士学位。 他撰写了多部广受赞誉的科学著作，著有5本《纽约时报》畅销书：《不可思议的物理》《人类的未来》《物理学的未来》《心灵的未来》《宇宙方程》。 他曾为BBC电视台、探索频道和科学频道主持过多部电视专题片，是美国和国际知名电视台的常客。他还主持两档美国科学广播节目《探索》和《神奇科学》。 华夏新供给经济学研究院院长，中国新供给经济学50人论坛秘书长。

内容简介

摩尔定律的终结 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。” 下一轮技术浪潮来临后，硅谷最终很有可能变成新“锈带”。 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’。” 革新世界经济 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。 搜索引擎 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。 优化 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。 模拟 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。 将人工智能与量子计算机融合 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。 1.前沿视角，讲述即将到来的量子时代如何开启下一轮科技革命 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。量子计算机，将是下一轮科技革命的新起点。 2.事关资本和产业布局，展现如火如荼的科技竞赛 “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。” 任何对信息安全感兴趣的人都会关注量子计算机，它们可以破解几乎任何基于数字技术的加密代码，这就是为什么美国联邦调查局、中央情报局和所有国家的政府都在密切布局。美国国会通过了《国家量子倡议法案》；英国政府正在建设国家量子计算中心；中国已经在量子信息科学国家实验室投入了100亿美元。 所有大公司都在参与这场竞赛，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。这些硅谷的领头雁已经意识到，自己必须紧跟这场革命的步伐，否则就会被淘汰，硅谷可能会成为下一个新“锈带”。 3.内容权威，全面分析量子计算机将如何对世界产生深远影响，革新经济、社会和我们每个人的生活 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，革新经济、社会以及我们的生活方式。 量子计算机的应用前景： ？不治之症，如癌症、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化、帕金森病，以及修复DNA损伤和逆转衰老，很可能就是量子计算机的下一个战场 ？创造第二次绿色革命，解开固氮的秘密，以更低的能源成本养活爆炸式增长的世界人口 ？设计“超级电池”来迎接太阳能时代，加快向无碳能源未来的过渡，并减缓全球变暖的进程 ？揭开光合作用的神秘面纱，人工光合作用将在对抗全球变暖的斗争中创造一个范式转变 …… 4.贴合当下社会热点，新一轮科技革命和培育新质生产力的关键 加快培育新质生产力，量子产业就是其中的关键一环。我国对量子计算机的所有技术路线均有布局，2023年，光学系统（九章）和超导系统（祖冲之）均取得了显著的进展。 5.作者权威度较高，图书受到国内外广泛关注 本书作者加来道雄，是一位著名的美籍日裔物理学家，超弦理论的创始人之一。现任纽约城市大学物理学教授。他不仅在物理学研究领域学术造诣深厚，同时非常擅长撰写科普畅销书，并经常在电视、广播等节目中普及科学知识。他的文章《一名物理学家的教育历程》被收录至人教版高中语文课本。 他的5本书都是《纽约时报》畅销书，《量子霸权》也荣登《纽约时报》畅销书榜单，并入选美国亚马逊2023年编辑推荐。