美国必须赢得量子计算机竞赛。历史显示了如何实现这一目标

(SeaPRwire) –   1981年,物理学家理查德·费因曼首次提出了利用量子物理原理来处理计算的量子计算机的概念。它可以计算标准计算机需要数千年或更长时间才能完成的计算。但是,在接下来的四十年里,研究并没有显著地推进,以至于这些机器对社会没有太大影响。

但是,2023年的一些突破表明,量子计算机已经进入了一个新时代,这可能会引发技术革命,带来许多可能性——有好有坏。从积极方面看,量子计算机可能会促进新药物的开发,以治疗癌症。从消极方面看,它们可能会破解我们每天多次使用的加密,用于发送短信、进行金融交易等各种事情。

但是,这不是美国同其对手进行的第一个量子竞赛——历史提供了指导,美国如何赢得即将来临的计算革命。20世纪40年代,第一个量子竞赛产生了核武器,并引发了技术爆炸。关键是,美国赢得了利用这新技术的竞赛。不仅美国科学家创建了第一枚核武器,量子物理也促进了激光器和计算机芯片的发展,使美国成为全球创新之地。

然而,只有当政策制定者提供必要的资金和支持来确保优势时,这才成为可能。与此形成对比,2024年,一个关键的量子资金法案被搁置,同时盟友和对手都在投入数十亿美元用于量子研发。如果没有行动,历史表明,美国有可能在量子技术这一21世纪最重要技术领域的领导地位上落后。

量子物理学在20世纪20年代和30年代在欧洲发展起来。当1930年代和1940年代二战爆发时,德国、匈牙利和意大利物理学家逃到美国。他们中的许多人加入了曼哈顿计划——这产生了原子弹,同时也提升了美国在量子科学领域的地位。

在随后的几十年里,费因曼和其他在曼哈顿计划中崭露头角的科学家启发了深远的量子物理创新,这成为美国生活的一部分。第一个量子革命产生了核武器和能源、全球定位系统、激光器、磁共振成像以及推动个人计算机兴起的芯片。

虽然苏联等国家也制造了核武器,但没有一个国家能与美国在开创性创新方面相比。1957年苏联发射的史普尼克卫星和随后的太空竞赛产生了大量的联邦科学教育资金,这是美国成功的根本。此外,国防部为具有远见但风险较大的研究提供了关键的资助,这促进了互联网、隐形技术和语音助手等技术的发展。这种组合推动美国在二战后几十年内达到无与伦比的创新高度。

第一个量子革命产生的技术在美国国防的核心,也重塑了美国民生,尤其是通过个人计算机和信息革命的发展。

但是,即使个人计算机在1981年兴起,费因曼在一个重要讲座中仍然坚持认为,还有更多的可能性。他认为,性能远超当时任何高性能计算机的量子计算机——只有它才能真正解锁世界的知识。然而,他也承认建立这样一台机器的难度极大。

随后的四十年证明他在障碍方面是正确的。设计量子计算机需要在理论以及材料和组件方面做出巨大进步。从20世纪80年代开始,进展一直在缓慢地爬升,许多人开玩笑说量子计算机永远都在10到20年后。

1994年,数学家彼得·肖尔发现了一个算法,提供了一种方法让量子计算机计算加密中使用的大素数。尽管有这个突破,但自肖尔发现以来,进展一直很缓慢。国家安全局和国防部——尤其是前者——的持续资助保持了创新,但结果并不稳定,因为科学家无法建立一个没有错误的量子计算机。

在过去10年里,IBM、谷歌和微软等私营科技公司对量子计算机做出了重大投资,这推动了该领域的成熟度和全球量子竞赛。

即便如此,今天的量子计算机由于辐射、热或材料不当造成的常规错误,仍无法超越标准计算机,例如无法设计新药,因为科学家无法准确重复实验。但是,所有这一切都在迅速改变。

2023年IBM和哈佛团队的进展证明,错误校正即将成为现实,量子实用时代已经来临。2023年7月,IBM在同行评审的论文中提供了实验结果,表明公司在缓解长期困扰量子计算的错误方面取得了进展。几个月后,2023年12月,哈佛团队和QuEra公司提供了实验结果,显示他们也开发出了一种具有增强错误校正能力的量子过程。

但是,不仅美国公司和大学在试图弄清如何缓解限制量子计算机可能性的错误。在过去15年里,中国物理学家启动了一个宏伟计划,旨在使中国成为世界领先的量子技术国家。一项估计认为,中国——已经投入超过150亿美元的项目——在这个新科学领域可能领先或与美国持平。2023年的实验结果表明,中国物理学家在可能使他们构建出超越美国的量子计算机的关键领域取得了令人印象深刻的成就。

如果中国在这个领域取得优势,后果将是巨大的。美国的最大对手将能破解美国每天使用的加密,用于安全的互联网流量和消息传递,美国政府和其盟友也使用这些加密保护秘密通信。一个组织预测,世界只有不到5年的时间,其他估计认为这个日期可能在10年以内。但是它来得很快。

这意味着美国必须在这一即将到来的技术面前取得优势,以防止在美国生活的每个领域都产生灾难性后果。2022年5月,白宫提出了一项计划,为美国准备后量子加密,与苹果和谷歌等私营公司正在进行的工作并行进行。但是,2023年,国会未能续期一项重要的联邦量子研发资金法案。与此同时,中国和欧洲国家没有在投入数十亿美元用于量子研究方面犹豫。

2023年量子计算机的突破预示着一个光明的未来,它将以前所未有的方式改变生活和经济。技术即将实现费因曼的愿景,以前所未有的方式理解世界和宇宙。一个能校正错误的量子计算机将引发第二次量子革命,正在展开的竞赛的目的是保持美国在21世纪最重要技术之一的领导地位。要赢得这场竞赛,联邦政府需要采取协调一致的行动,保持美国在量子计算机和其他量子技术如感知方面的领先地位。这就是美国如何赢得第一个量子革命的经验教训,风险太高,不能不学习这一历史性胜利。

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