[张恩秀的读书看世界]硅基计算机的终结，“量子时代”开启

Published 18 Jan.2024 16:19(KST)

Updated 17 Jun.2025 13:39(KST)

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Kaku谈“量子计算机的未来”
预测硅半导体即将触及极限

利用原子的量子计算机
可在200秒内解决
传统超算需1万年的难题
将改变人类未来的革命性技术

当下我们生活在“硅时代”。在指甲盖大小的微芯片上集成无数硅晶体管、执行复杂运算的计算机世界里生活。自从1947年晶体管问世以来，那些投资计算机技术并取得成果的企业和国家都实现了繁荣，个人亦然。硅谷积累的巨大财富正是其象征。韩国能跻身发达国家，也正是因为顺利搭上了硅时代的浪潮。我们经历的是这样一个时代：三星电子等半导体相关企业的成长几乎就等同于国富的增加。

然而，在《量子计算机的未来》（金英社）一书中，纽约市立大学教授Michio Kaku指出，硅时代如今正在落幕。因为硅计算机的计算能力即将迎来根本性的极限。众所周知，支配硅时代的法则是摩尔定律。根据英特尔创始人Gordon Moore的预测，半导体中所集成的晶体管数量大约每18个月翻一番。其结果就是智能手机。手掌大小的手机，功能远比冷战时期美国国防部使用的计算机更强大，拍摄出的影像也比George Lucas拍摄《星球大战》时更加逼真。

然而，近60年来屡试不爽的摩尔定律，如今正在失效。随着技术发展速度放缓，摩尔定律的周期被拉长，不久后将步入停滞状态。原因在于半导体尺寸已接近极限。目前硅半导体最薄的一层仅有数纳米大小。由于单个原子的大小约为0.1纳米，已经缩小到几乎极限。问题在于，尺寸越接近原子，就越受量子效应、即不确定性原理的支配，而以现有技术根本无法加以控制。电子会任意游走、破坏电路，或产生过量热量以至于熔化芯片。现代文明几乎完全依赖计算机能力。一旦摩尔定律崩溃，就会演变为增长极限，整个人类文明将陷入长期停滞。人类会回到从一万年前的新石器农业革命到18世纪工业革命之间那种缓慢发展的时代。一旦硅时代宣告终结，曾享受其红利的韩国经济也将陷入危机。正如与美国汽车产业一同繁荣的底特律等城市，因难以抵挡日本、韩国的追赶而沦为“铁锈地带”，随着技术差距的消失，中国等国家也可能迅速超越我们。

Kaku表示，量子计算机是将从根本上改变人类未来的革命性技术。通过直接利用原子本身来制造计算机，可以开启超越硅半导体物理极限的新视野。更何况，这种计算机在世界上最微小的物体——原子尺度上完成所有运算，其性能对既有计算机形成压倒性优势。进一步地，借助叠加、纠缠等量子世界的法则，它还能对生命现象、气候预测等硅计算机根本无法理解的问题进行精确计算。谷歌曾称：“当量子计算机问世时，目前被认为世界最强的计算机看上去就像算盘一样。”

长期以来只在少数学者的实验室中作为理论被讨论的量子计算机，近几年开始真正引发人们的关注。相关企业股价暴涨等变化已经出现。2019年，谷歌发布了自主研发的量子计算机，这是一个重要契机。谷歌声称，这台计算机可以在200秒内解决一台超级计算机需要1万年才能完成的问题。尽管仍处于实验室阶段，但“终极计算机”已经在现实中显露身影。2021年，IBM同样推出了新的量子计算机，点燃了面向未来的竞争。

量子计算机将从根本上撼动由传统硅计算机所构建的世界。例如，量子计算机不仅可以使目前用于行政管理、军事机密、金融交易等领域的所有安全代码统统失效，还可能通过黑客攻击区块链，从而摧毁整个加密货币市场。个人信息被泄露、银行资金被任意提取、导弹等武器被用于恐怖活动等，由硅计算机构建的地球文明本身都可能陷入极度混乱。

事情并非只有坏的一面。凭借量子计算机突破性的计算能力，人类可以解决迄今难以解决的无数问题。尤其是当量子计算机与人工智能技术结合时，其威力更是难以想象。因为人工智能的学习速度将以指数级提升，从而在各个领域引发结构性变革。比如，近20年来我们投入了巨额税金，但至今仍不知道解决低生育率问题的明确方法。如果拥有量子计算机，我们就可以利用累积的数据，找出其精确原因，并据此寻求最优解决方案。

量子计算机是一种可以以接近现实的精度模拟未来的机器。借助这台计算机，我们可以描绘全球变暖对国家经济和个人生活的长期影响，寻找包括下一代电池在内的应对方案；还可以利用虚拟实验室开发治疗癌症等疑难病症的新药。此外，通过精密实施在容器中模拟太阳的核聚变实验，有望为能源问题找到永久性解决之道。量子计算机是一种超越当今文明极限的技术，我们可以借此将过去无数不可能之事变为可能。正因如此，美国、中国、欧洲等纷纷向量子计算机研发投入巨额资金，谷歌、IBM、英特尔、微软等企业也相继入局。为了抢占量子计算机的先机，中国已经向国家量子信息科学研究所投资100亿美元，2021年美国也决定提供总计6.25亿美元的支持。

一旦量子时代开启，硅谷将沦为新的“铁锈地带”，在这一进程中落后的企业或国家可能永远只能屈居第二。为了延续硅时代的繁荣，我们也必须给予国家层面的高度关注。“工业化落后了，信息化要走在前面！”这是30年前互联网初期我们高呼的口号。现在也到了该改变的时候：“半导体落后了，量子化要走在前面！”