Quantum Computing: A Concise Introduction

量子計(jì)算：導(dǎo)論

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定義

量子計(jì)算是一種新興的計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，它利用量子力學(xué)原理——包括疊加、糾纏和量子隧穿效應(yīng)——以一種根本性新穎的方式來(lái)處理信息。經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用比特（bit）作為信息的基本單位，其狀態(tài)只能是 0 或 1；而量子計(jì)算機(jī)則使用量子比特（quantum bit），簡(jiǎn)稱“量子位”或“qubit”。與經(jīng)典比特不同，一個(gè)量子比特可同時(shí)處于邏輯狀態(tài) 0 和 1 的疊加態(tài)之中。這一特性使得基于量子的系統(tǒng)在執(zhí)行某些復(fù)雜計(jì)算任務(wù)時(shí)，速度遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)。量子計(jì)算在多個(gè)領(lǐng)域具有巨大變革潛力，有望推動(dòng)量子密碼學(xué)、信息檢索、優(yōu)化問(wèn)題及人工智能等方面的突破性進(jìn)展。借助諸如 Grover 算法和 Shor 算法等量子算法，量子計(jì)算機(jī)可極大提升數(shù)據(jù)搜索速度，并破解那些經(jīng)典計(jì)算機(jī)需耗時(shí)數(shù)十億年才能攻破的加密系統(tǒng)。盡管目前仍處于相對(duì)早期的發(fā)展階段，量子計(jì)算機(jī)已展現(xiàn)出顯著潛力，有望塑造下一代計(jì)算技術(shù)的面貌。

關(guān)鍵詞：量子計(jì)算；量子比特（qubit）；量子信息處理；量子算法；Grover 算法；Shor 算法；量子密碼學(xué)

1. 引言量子計(jì)算正迅速?gòu)囊环N理論層面的好奇對(duì)象，邁向一種現(xiàn)實(shí)世界中具有變革性的技術(shù)?；诹孔酉到y(tǒng)的先進(jìn)計(jì)算能力——源自量子力學(xué)的獨(dú)特性質(zhì)——有望顯著提升我們各類系統(tǒng)的運(yùn)算速度與效率［1］。通過(guò)突破經(jīng)典計(jì)算范式中僅能取 0 或 1 兩種狀態(tài)的二進(jìn)制位（“比特”），轉(zhuǎn)而采用可借助量子疊加原理同時(shí)處于多種狀態(tài)的量子比特（qubit），量子系統(tǒng)能夠在某些計(jì)算問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的求解速度［2］。此類計(jì)算效率的提升對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全、信息檢索以及人工智能優(yōu)化等領(lǐng)域具有廣泛深遠(yuǎn)的影響［3］。

盡管量子計(jì)算常被視作某種遙遠(yuǎn)且充滿未來(lái)感的創(chuàng)新，更像是科幻小說(shuō)中的情節(jié)而非現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，但該技術(shù)實(shí)際上已以某種形態(tài)存在：硬件方面已有谷歌的Willow芯片［4］、IBM的超導(dǎo)量子處理器［5］、IonQ的囚禁離子系統(tǒng)［6］；軟件方面則有Qiskit［7］、谷歌的Cirq［8］以及微軟的量子開(kāi)發(fā)工具包（QDK）［9］等平臺(tái)。盡管當(dāng)前的量子設(shè)備在規(guī)模與錯(cuò)誤率方面仍受限，但其持續(xù)演進(jìn)已反映出向更穩(wěn)健、可擴(kuò)展系統(tǒng)快速邁進(jìn)的進(jìn)展［10］。這些進(jìn)展對(duì)密碼學(xué)［11］、優(yōu)化問(wèn)題［12］、農(nóng)業(yè)與食品［13］以及材料科學(xué)［14］等領(lǐng)域均具有深遠(yuǎn)影響。倘若成本持續(xù)下降，并在現(xiàn)實(shí)部署中展現(xiàn)出可驗(yàn)證的實(shí)際價(jià)值，其快速普及將成為可能；在此情形下，其產(chǎn)生的影響或可與2022年末至2023年初生成式人工智能所引發(fā)的變革相媲美。表1匯總了當(dāng)前主要的硬件平臺(tái)與軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）。

鑒于量子技術(shù)可能帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響，至關(guān)重要的是，各類組織及整個(gè)社會(huì)需前瞻性地研判其將帶來(lái)的機(jī)遇與威脅，并確保自身在未來(lái)數(shù)十年中處于有利地位。本文旨在為當(dāng)前及未來(lái)的專業(yè)人士提供量子計(jì)算的入門介紹，并在現(xiàn)實(shí)世界影響的語(yǔ)境下闡釋相關(guān)概念——尤其是其對(duì)我們各類信息系統(tǒng)所產(chǎn)生的實(shí)際沖擊。隨后，本文將進(jìn)一步探討這些創(chuàng)新對(duì)社會(huì)的廣泛影響，包括其對(duì)各類信息系統(tǒng)、信息檢索，以及信息、知識(shí)與計(jì)算領(lǐng)域從業(yè)者的潛在改變。通過(guò)這一分析，量子計(jì)算的本質(zhì)將得以去神秘化，其切實(shí)可行的顛覆性潛力也將得以凸顯。

1. 量子計(jì)算中的量子原理通常，計(jì)算領(lǐng)域的概念可被分解為最基本的組成單元，從而更易于大眾理解。絕大多數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的最底層單元是二進(jìn)制位（binary digit），即“比特”——以0和1表示的電信號(hào)，構(gòu)成了系統(tǒng)中所有信息的存儲(chǔ)、處理與傳遞的基礎(chǔ)［15］。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)可被還原為0與1的組合時(shí)，人們便更容易理解其各組成部分如何從這一基礎(chǔ)逐層構(gòu)建而成。然而，量子計(jì)算并不依賴于經(jīng)典比特；相反，它利用量子力學(xué)的獨(dú)特屬性，構(gòu)建出比任何現(xiàn)有技術(shù)都更快、更高效的計(jì)算機(jī)器［16］。因此，要理解量子計(jì)算機(jī)，我們首先需具備一定的量子理論背景知識(shí)。

量子力學(xué)聚焦于原子及亞原子尺度上的現(xiàn)象——例如原子內(nèi)電子的行為、光的基本粒子（光子）的特性等——并解釋為何這些粒子的行為往往違背經(jīng)典直覺(jué)［17］。盡管經(jīng)典物理學(xué)可近似描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，但在量子尺度上卻失效：此處的粒子既表現(xiàn)出波動(dòng)性，又表現(xiàn)出粒子性。例如，電子并不占據(jù)固定的位置，也不遵循精確的軌跡；相反，它們以波函數(shù)描述的概率分布形式存在。這些原理并不僅限于亞原子粒子；在原子尺度乃至更大范圍內(nèi)，量子行為同樣至關(guān)重要——尤其在量子化學(xué)等領(lǐng)域，分子的結(jié)構(gòu)與相互作用從根本上依賴于量子效應(yīng)［18］。圖1展示了量子計(jì)算機(jī)制的概要示意圖。

量子理論的基本假設(shè)之一是 疊加原理 （superposition），它指出：一個(gè)量子系統(tǒng)可同時(shí)以多個(gè)基態(tài)的線性組合形式存在。在量子計(jì)算中，這意味著 量子比特 （qubit）——與必須處于0或1狀態(tài)的經(jīng)典比特不同——能夠以0和1兩種狀態(tài)的相干疊加形式存在。數(shù)學(xué)上，一個(gè)量子比特的狀態(tài)可表示為：

需特別指出的是，這種疊加態(tài)并非意味著量子比特在經(jīng)典意義上“同時(shí)是0和1”，也不等同于經(jīng)典概率意義上的不確定性。疊加反映的是信息在量子力學(xué)框架下所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，正是這一結(jié)構(gòu)使得量子系統(tǒng)能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的干涉效應(yīng)與計(jì)算能力——薛定諤貓思想實(shí)驗(yàn)［20］常被用于闡釋這一特性。

量子糾纏（entanglement）是另一關(guān)鍵量子現(xiàn)象：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)量子比特以某種方式相互關(guān)聯(lián)時(shí)，對(duì)其中一個(gè)量子比特的測(cè)量將瞬時(shí)影響其余量子比特的測(cè)量結(jié)果概率分布，無(wú)論它們之間相距多遠(yuǎn)［21］。這一特性使量子計(jì)算機(jī)得以以經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行高度互聯(lián)且并行的信息處理。

為構(gòu)建具備實(shí)用功能的量子計(jì)算機(jī)，其物理實(shí)現(xiàn)的量子比特必須滿足一系列嚴(yán)苛條件，即所謂DiVincenzo判據(jù)［22］：包括能夠高保真地完成量子比特的初始化、相干操控與測(cè)量，同時(shí)確保系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性及足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間。目前，研究者已開(kāi)發(fā)出多種物理平臺(tái)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。例如，光鑷中的中性原子［23］和離子阱系統(tǒng)［24］均屬于宏觀尺度下的物理實(shí)現(xiàn)方案，它們已成功支持量子比特的相干操控與糾纏生成，展現(xiàn)了量子行為可超越微觀尺度、在更大體系中顯現(xiàn)的可能。

表2對(duì)比展示了經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)在信息處理機(jī)制上的根本性差異。

當(dāng)某人對(duì)一個(gè)量子態(tài)進(jìn)行觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，疊加態(tài)似乎會(huì)“坍縮”為某個(gè)單一、確定的結(jié)果。然而，這一“坍縮”——作為量子理論的一個(gè)基本假設(shè)——與退相干（decoherence）這一物理過(guò)程截然不同：退相干源于量子系統(tǒng)與其環(huán)境之間不期望的相互作用［25］。當(dāng)量子信息因熱噪聲或與外部粒子的耦合而泄漏至環(huán)境中時(shí)，便會(huì)發(fā)生退相干，從而破壞原本脆弱的量子態(tài)。因此，量子系統(tǒng)必須通過(guò)精心的隔離與穩(wěn)定措施（如下一節(jié)所述的專用硬件）加以保護(hù)，以抑制退相干，確保實(shí)現(xiàn)有意義的量子計(jì)算。

為對(duì)量子比特實(shí)施操作，量子計(jì)算機(jī)采用量子門（quantum gates）——即經(jīng)典計(jì)算中邏輯門的量子對(duì)應(yīng)物。這些量子門通過(guò)對(duì)量子態(tài)施加酉變換（unitary transformations）來(lái)操控量子比特，從而改變其疊加態(tài)與糾纏結(jié)構(gòu)，而不會(huì)引發(fā)波函數(shù)坍縮。當(dāng)前常用的量子門包括：Hadamard 門（用于制備疊加態(tài)）、Pauli 門（如 X、Y、Z 門）以及受控非門（CNOT 門，用于生成糾纏態(tài)）等。上述原理構(gòu)成了量子計(jì)算從理論構(gòu)想走向可行技術(shù)的基石。圖2展示了 IBM 量子處理器性能的演進(jìn)歷程。

2.1 量子計(jì)算硬件
量子計(jì)算所采用的硬件與經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)存在顯著差異，其設(shè)計(jì)核心在于確保技術(shù)能夠維持并操控脆弱的量子態(tài)。量子比特必須與任何噪聲或干擾嚴(yán)格隔離；否則，其量子特性極易遭到破壞。當(dāng)前主要的量子硬件平臺(tái)包括：超導(dǎo)電路——利用微波脈沖操控處于極低溫環(huán)境下的超導(dǎo)電環(huán)；以及囚禁離子系統(tǒng)——通過(guò)激光操控懸浮于電磁場(chǎng)中的原子。維持量子相干性并抑制退相干是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)，這也推動(dòng)了多種不同物理實(shí)現(xiàn)方案的探索與發(fā)展。

除超導(dǎo)電路與囚禁離子系統(tǒng)外，若干頗具前景的硬件平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、高保真度的量子計(jì)算提供了替代路徑。

一個(gè)典型例子是光鑷囚禁的中性原子——利用高度聚焦的激光束（即“光鑷”）捕獲單個(gè)原子（通常為銣、銫等堿金屬原子）［26］。這些原子可被高精度地排列成可重構(gòu)的陣列或晶格結(jié)構(gòu)，具有極高的空間分辨率。量子信息被編碼于原子的內(nèi)稟能級(jí)（如超精細(xì)能級(jí)）之中；通過(guò)將原子激發(fā)至高能里德堡態(tài)（Rydberg state），可實(shí)現(xiàn)量子比特之間強(qiáng)而可調(diào)的相互作用，從而完成受控操作。

另一類方案采用光子量子比特，即利用光子的偏振、時(shí)間倉(cāng)（time-bin）或空間路徑等自由度對(duì)量子信息進(jìn)行編碼［27］。光子天然以光速傳播，且與環(huán)境相互作用極弱，因而可在室溫下運(yùn)行，特別適合長(zhǎng)距離量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建［28］。

此外，金剛石中的氮-空位中心（nitrogen-vacancy, NV centers）構(gòu)成了一種固態(tài)量子平臺(tái)：其結(jié)構(gòu)為金剛石晶格中一個(gè)氮原子取代鄰近空位處的碳原子［29］。與NV中心關(guān)聯(lián)的電子自旋態(tài)可通過(guò)光手段實(shí)現(xiàn)初始化與讀出，且在室溫下相干時(shí)間可達(dá)毫秒量級(jí)。該平臺(tái)在量子傳感、量子通信及小規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景［30］。

盡管量子硬件研發(fā)已取得顯著進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算仍需克服與錯(cuò)誤與噪聲相關(guān)的根本性挑戰(zhàn)。量子態(tài)本質(zhì)上極為脆弱，易受退相干及操作誤差影響，因此必須依賴量子糾錯(cuò)（quantum error correction）技術(shù)——在不直接測(cè)量量子比特的前提下保護(hù)信息［31］。糾錯(cuò)方法通常將一個(gè)邏輯量子比特編碼為多個(gè)物理量子比特的糾纏態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤的檢測(cè)與修正［32］。實(shí)踐中，糾錯(cuò)需耗費(fèi)大量資源開(kāi)銷：每個(gè)邏輯量子比特需由眾多物理量子比特編碼實(shí)現(xiàn)，并需頻繁執(zhí)行“校驗(yàn)子提取”（syndrome extraction）與解碼操作。

與之相輔相成的是容錯(cuò)性（fault tolerance）：即使單個(gè)組件存在缺陷，只要在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中持續(xù)應(yīng)用糾錯(cuò)機(jī)制，仍可保證量子計(jì)算可靠運(yùn)行［33］。構(gòu)建可容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)的通用量子門集合（即經(jīng)典邏輯門的量子對(duì)應(yīng)物），對(duì)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要［34］。容錯(cuò)性不僅關(guān)乎信息保護(hù)，更對(duì)門操作、測(cè)量及前饋（feedforward）等環(huán)節(jié)的協(xié)同方式提出嚴(yán)格約束，以確保在長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算過(guò)程中，局部故障仍可被有效糾正。

2.2 量子算法

使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)時(shí)，若要嘗試破解一個(gè)十位字符的密碼，你必須一次輸入一個(gè)組合［35］。如果密碼由10個(gè)字母數(shù)字字符組成（26個(gè)大寫(xiě)字母、26個(gè)小寫(xiě)字母和10個(gè)數(shù)字，共10位字符），則共有種可能的組合。這意味著存在839萬(wàn)億億（quintillion）種可能性。即使一臺(tái)速度驚人的現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒能嘗試10億種組合，平均也需要超過(guò)10,000年才能猜出正確的組合。

Grover 算法通過(guò)利用疊加態(tài)、相位反轉(zhuǎn)以及干涉引起的振幅放大等獨(dú)特的量子現(xiàn)象，為非結(jié)構(gòu)化搜索問(wèn)題提供了二次加速［36］。這使得它能夠?qū)⑺璨襟E數(shù)從839萬(wàn)億億減少到約290億，因?yàn)?Grover 算法提供的是二次加速，其求解步驟數(shù)大約等于839萬(wàn)億億的平方根（即290億），如圖3所示。

與一種常見(jiàn)誤解——即“量子算法能同時(shí)檢驗(yàn)所有組合”——相反，Grover 算法并非以經(jīng)典意義上的并行方式逐一評(píng)估所有可能性。相反，它通過(guò)精心編排量子干涉，在迭代次數(shù)與總可能組合數(shù)的平方根成正比的前提下，顯著提升測(cè)量到正確結(jié)果的概率［37］。例如，即便一個(gè)系統(tǒng)每秒僅能執(zhí)行1000次操作，也可在不到一個(gè)自然年內(nèi)找出正確密碼；而一個(gè)更高效、每秒執(zhí)行100萬(wàn)次操作的系統(tǒng)，則可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成破解。

另一項(xiàng)構(gòu)成重大威脅的量子算法是Shor 算法［38］。在現(xiàn)代加密體系（例如用于保護(hù)系統(tǒng)間通信的 RSA 加密算法［39］）中，確保信息不被破解的核心在于：將一個(gè)極大整數(shù)分解為其兩個(gè)原始素因子在數(shù)學(xué)上極為困難。該大數(shù)（即模數(shù)）作為兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積是公開(kāi)的，但其兩個(gè)素因子的身份則保密。在 RSA 加密中，待分解的整數(shù)長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百位，而使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)找出這對(duì)大素?cái)?shù)幾乎不可能——預(yù)計(jì)需耗時(shí)數(shù)十億年。然而，運(yùn)行于量子計(jì)算機(jī)上的 Shor 算法卻能以指數(shù)級(jí)加速完成大數(shù)分解［40］。它并非逐一嘗試各種可能，而是借助量子并行性，在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可找出因子，從而對(duì) RSA 及類似加密方案的安全性構(gòu)成嚴(yán)峻威脅。

2.3 計(jì)算復(fù)雜性與量子優(yōu)勢(shì)

要嚴(yán)謹(jǐn)評(píng)估量子計(jì)算的能力，必須將其置于計(jì)算復(fù)雜性理論（computational complexity theory）的框架之內(nèi)［41］。該理論根據(jù)使用不同計(jì)算模型解決問(wèn)題所需的計(jì)算資源（通常是時(shí)間或計(jì)算步驟）對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分類［42］：

• P 類（多項(xiàng)式時(shí)間類） 包含那些可通過(guò)經(jīng)典確定性算法在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)高效解決的問(wèn)題。
• NP 類（非確定性多項(xiàng)式時(shí)間類） 包含那些其解可在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)被高效驗(yàn)證的問(wèn)題，即使找到這些解本身可能無(wú)法在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成。理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中最著名的未解問(wèn)題之一便是：P 是否等于 NP？
• BQP 類（有界誤差量子多項(xiàng)式時(shí)間類） 包含那些可由量子計(jì)算機(jī)以小于 1/3 的錯(cuò)誤概率高效解決的問(wèn)題（該錯(cuò)誤概率可通過(guò)重復(fù)運(yùn)行進(jìn)一步降低）［43, 44］。

人們普遍認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的主要計(jì)算優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在那些屬于 BQP 類但不屬于 P 類的問(wèn)題上。一個(gè)典型的例子是整數(shù)分解問(wèn)題［45］。雖然經(jīng)典算法需要超多項(xiàng)式時(shí)間才能分解大整數(shù)，但 Shor 的量子算法卻能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成此任務(wù)——從而將該問(wèn)題歸入 BQP 類。由于整數(shù)分解被認(rèn)為不屬于 P 類，這一能力清晰地展示了量子計(jì)算在特定問(wèn)題類別上超越經(jīng)典方法的潛力［46］。

2.4 量子計(jì)算的威力

如上文示例所示，量子計(jì)算使計(jì)算機(jī)得以更高效地利用信息。盡管數(shù)據(jù)本身并未真正傳輸?shù)酶?/strong>（信息傳遞速度受限于光速及承載信號(hào)的物理介質(zhì)的效率），但其解讀過(guò)程卻顯著提速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高層級(jí)的加密（即安全性）與處理效率。這意味著數(shù)據(jù)的利用效率大幅提升，從而可極大縮短大規(guī)模計(jì)算、仿真或人工智能模型訓(xùn)練所需的時(shí)間。

量子計(jì)算在特定類型計(jì)算任務(wù)中展現(xiàn)出的顯著加速潛力，使其成為計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性突破。當(dāng)與人工智能結(jié)合時(shí)，量子系統(tǒng)有望以遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜問(wèn)題——例如優(yōu)化、模式識(shí)別與藥物研發(fā)等［47］。此類加速將使人工智能模型得以分析海量數(shù)據(jù)集，并以前所未有的規(guī)模與速度進(jìn)行決策。盡管并非所有人工智能任務(wù)都能同等程度受益于量子增強(qiáng)，但這兩項(xiàng)技術(shù)的融合仍可能重塑整個(gè)產(chǎn)業(yè)格局，并重新劃定機(jī)器能力的邊界。

量子計(jì)算有望將近期已具革命性的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步推向新高度。正如生成式人工智能等獨(dú)立工具已通過(guò)改進(jìn)我們的計(jì)算與決策方式深刻改變了生活，若將其整合于量子賦能的系統(tǒng)之中，這些工具的性能或?qū)④S升至全新層級(jí)——使今日的先進(jìn)技術(shù)蛻變?yōu)槊魅盏摹俺瑥?qiáng)系統(tǒng)”。

1. 量子計(jì)算最具潛力影響的領(lǐng)域

3.1 網(wǎng)絡(luò)安全與后量子密碼學(xué)

量子計(jì)算引發(fā)的最大關(guān)切之一在于網(wǎng)絡(luò)安全。如前文示例所示，量子計(jì)算對(duì)當(dāng)前依賴大數(shù)分解或離散對(duì)數(shù)等數(shù)學(xué)難題的傳統(tǒng)加密與訪問(wèn)控制機(jī)制構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這一發(fā)展使知識(shí)產(chǎn)業(yè)中的諸多系統(tǒng)面臨極高的攻擊風(fēng)險(xiǎn)；而在更廣泛的社會(huì)層面，攻擊目標(biāo)可能集中于軍事系統(tǒng)與金融機(jī)構(gòu)［48］。倘若該技術(shù)落入不當(dāng)之手，極有可能嚴(yán)重破壞整個(gè)信息基礎(chǔ)設(shè)施，并造成廣泛損害。

為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)的威脅，研究者已開(kāi)發(fā)出后量子密碼學(xué)（Post-Quantum Cryptography, PQC），旨在確保密碼系統(tǒng)即使面對(duì)擁有量子計(jì)算機(jī)的攻擊者時(shí)仍能保持安全［49］。需強(qiáng)調(diào)的是，PQC 并非利用量子計(jì)算機(jī)的弱點(diǎn)，而是基于一類被認(rèn)為對(duì)經(jīng)典算法和量子算法均難以高效求解的數(shù)學(xué)問(wèn)題構(gòu)建［50］。

以基于格的密碼學(xué)（lattice-based cryptography）為例：該方法引入高維空間中的格結(jié)構(gòu)問(wèn)題，并在設(shè)計(jì)中加入噪聲?？蓪ⅰ案瘛毕胂鬄橐粋€(gè)多維網(wǎng)格——如同在一個(gè)巨大的蛛網(wǎng)中尋找若干條不可見(jiàn)細(xì)線的確切交點(diǎn)。其目標(biāo)在于構(gòu)造一類問(wèn)題，使其復(fù)雜度高到即便強(qiáng)大的算法也難以高效“解開(kāi)”。

3.2 信息檢索

如前文關(guān)于 Grover 算法的討論所示，量子計(jì)算機(jī)具備以二次加速（即約平方根級(jí)別提速）遍歷海量數(shù)據(jù)集的能力，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)［51］。這意味著用戶可輸入高度復(fù)雜、細(xì)節(jié)豐富的查詢語(yǔ)句，而量子算法則能近乎實(shí)時(shí)地掃描全部可用文檔的文本內(nèi)容，并返回高度相關(guān)的資源。若再與大型語(yǔ)言模型（LLM）等新興技術(shù)結(jié)合，此類工具可迅速優(yōu)化資源元數(shù)據(jù)、產(chǎn)出更精準(zhǔn)的檢索結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行更佳的上下文關(guān)聯(lián)與解釋——其速度遠(yuǎn)超當(dāng)前的信息檢索系統(tǒng)。

對(duì)信息用戶而言，這無(wú)疑是一大福音，極可能引發(fā)一場(chǎng)與 ChatGPT 問(wèn)世時(shí)相仿的技術(shù)革命。正因如此，目前已有眾多企業(yè)大力投入量子技術(shù)的研發(fā)。

然而，量子信息檢索也存在若干問(wèn)題，可能對(duì)圖書(shū)館等信息機(jī)構(gòu)乃至用戶自身產(chǎn)生負(fù)面影響。從圖書(shū)館與館員的角度看，以最快速度提供最相關(guān)的信息本是核心使命——這直接呼應(yīng)了阮岡納贊（Ranganathan）《圖書(shū)館學(xué)五定律》中的“節(jié)省讀者的時(shí)間”與“每名讀者有其所需之書(shū)”，也契合現(xiàn)代圖書(shū)館以服務(wù)為導(dǎo)向的價(jià)值取向［52］。但問(wèn)題在于：若這些量子檢索機(jī)制表現(xiàn)得過(guò)于高效，是否會(huì)使得圖書(shū)館與信息專業(yè)人員趨于“過(guò)時(shí)”？此外，算法的復(fù)雜性也可能令館員難以向用戶解釋其運(yùn)作機(jī)制，或難以及時(shí)識(shí)別問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)機(jī)與原因。

不過(guò)，這也可能催生一種新的信息素養(yǎng)維度：當(dāng)所獲信息“過(guò)于完美”時(shí)，應(yīng)如何應(yīng)對(duì)？若一個(gè)答案看似無(wú)懈可擊，是否意味著它隱含某種視角偏見(jiàn)？抑或某些關(guān)鍵信息已被無(wú)意或有意地遺漏？——這將成為未來(lái)信息素養(yǎng)教育亟需探討的新課題。

3.3 自動(dòng)化

得益于其在快速優(yōu)化決策方面的強(qiáng)大能力，量子計(jì)算有望極大提升當(dāng)前自動(dòng)化的速度與復(fù)雜程度［53］。借助與高效信息檢索和密碼破譯相同的底層原理，量子系統(tǒng)可精確計(jì)算從A點(diǎn)到B點(diǎn)的最快或最安全路徑，最小化機(jī)器運(yùn)行所消耗的能量，并顯著降低機(jī)器產(chǎn)生的錯(cuò)誤率［12］。

目前，除量子計(jì)算本身存在的技術(shù)限制外，阻礙量子增強(qiáng)型自動(dòng)化廣泛應(yīng)用的最大障礙在于其高昂的經(jīng)濟(jì)與能源成本［50］。在短期內(nèi)，這一成本對(duì)許多應(yīng)用場(chǎng)景而言將是難以承受的：量子系統(tǒng)構(gòu)建、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用極高，且需依賴超低溫等特殊環(huán)境條件才能穩(wěn)定運(yùn)行。這使其在許多小規(guī)模應(yīng)用中（例如優(yōu)化單輛自動(dòng)駕駛汽車）尚不具現(xiàn)實(shí)可行性。然而，與大多數(shù)新興技術(shù)的發(fā)展軌跡相似，隨著技術(shù)成熟，其成本、體積與能耗有望逐步下降，而性能與可及性則將持續(xù)提升，從而推動(dòng)其在更大范圍內(nèi)的普及與部署。

1. 量子后時(shí)代（后量子未來(lái)）

量子計(jì)算的興起，將為社會(huì)及諸多行業(yè)帶來(lái)若干關(guān)乎存在本質(zhì)的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。這一創(chuàng)新本質(zhì)上是一種“整合性”技術(shù)——它不僅強(qiáng)化了現(xiàn)有各類技術(shù)對(duì)信息基礎(chǔ)設(shè)施所構(gòu)成的潛在威脅，也深刻重塑了知識(shí)工作者在社會(huì)中的角色［54］。這為專業(yè)人士提出了全新挑戰(zhàn)：如何在不斷演化的格局中重新定義自身職能［55］。本節(jié)探討量子計(jì)算可能對(duì)技術(shù)與社會(huì)產(chǎn)生的若干潛在影響。盡管目前多數(shù)影響仍屬理論推演，但提前審慎考量這些可能性，對(duì)于前瞻性地研判并應(yīng)對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)至關(guān)重要。

4.1 知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)將如何演變？

知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)本身不太可能消失，但知識(shí)工作的本質(zhì)將發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變。那些高度依賴模式識(shí)別、內(nèi)容摘要、索引編制或數(shù)據(jù)分析的任務(wù)，將最直接受到量子增強(qiáng)型人工智能系統(tǒng)的沖擊［56］。具備即時(shí)檢索、解讀并以通俗語(yǔ)言闡釋復(fù)雜材料能力的系統(tǒng)，或?qū)ρ芯糠治鰩?、技術(shù)文檔撰寫(xiě)者及信息專家等傳統(tǒng)職業(yè)角色構(gòu)成挑戰(zhàn)［57］。

然而，更恰當(dāng)?shù)睦斫馐牵哼@一轉(zhuǎn)變并非職業(yè)的“消亡”，而是其內(nèi)涵的“轉(zhuǎn)型”。知識(shí)產(chǎn)業(yè)從業(yè)者將日益聚焦于戰(zhàn)略規(guī)劃、倫理治理、政策制定、教育培訓(xùn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等高階職能［58］。其核心價(jià)值將體現(xiàn)為：引導(dǎo)技術(shù)的負(fù)責(zé)任研發(fā)與應(yīng)用、保障過(guò)程透明性，并在信息生成與使用過(guò)程中培育社會(huì)信任。為保持自身不可替代性，知識(shí)工作者需著力強(qiáng)化機(jī)器難以復(fù)制的“以人為本”的能力——例如情境化判斷力、人際溝通力以及倫理推理能力。

4.2 工作的未來(lái)將走向何方？

量子計(jì)算的出現(xiàn)，已促使人們重新思考整體“未來(lái)工作”的圖景。理論上，量子算法的超高速度將催生一類計(jì)算機(jī)，其執(zhí)行諸多人類任務(wù)的速率遠(yuǎn)超人類自身［59］。計(jì)算速度與效率的理論性躍升，可進(jìn)一步增強(qiáng)人工智能模型的能力，有望比以往更高效地自動(dòng)化處理重復(fù)性、預(yù)測(cè)性或基于模式識(shí)別的任務(wù)［60］。這將波及廣泛的職業(yè)領(lǐng)域——從白領(lǐng)知識(shí)型工作，到裝配、運(yùn)輸?shù)人{(lán)領(lǐng)體力崗位［61］。

與此同時(shí)，新的機(jī)遇亦將涌現(xiàn)：量子技術(shù)的研發(fā)、維護(hù)與實(shí)際應(yīng)用，亟需具備專業(yè)技能的人才，極有可能催生全新的職業(yè)類別［62］。

4.3 人類心智將何去何從？

與量子計(jì)算興起相關(guān)的一個(gè)尤為引人深思的問(wèn)題是：在這一急劇變革的背景下，人類心智、人際互動(dòng)以及人類價(jià)值觀將走向何方［63］？盡管許多人或許認(rèn)為，人類的認(rèn)知能力與批判性思維在當(dāng)代已處于歷史低谷，而隨著技術(shù)的進(jìn)一步普及——尤其是那些能大幅提升現(xiàn)有AI模型能力、代我們獲取信息與執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)——此類問(wèn)題恐將進(jìn)一步加劇。我們究竟面臨何種前景？是陷入意義的全面疏離——生活被掏空為無(wú)意義的操作與反饋？抑或迎來(lái)一場(chǎng)解放——從機(jī)械的記憶、繁重的勞作與日復(fù)一日的例行事務(wù)中掙脫出來(lái)，從而獲得更豐盈的精神空間？

相較于前述兩點(diǎn)，這一問(wèn)題更具哲學(xué)意涵，亦屬長(zhǎng)期關(guān)切；然而，它或許將對(duì)社會(huì)整體福祉產(chǎn)生最為深遠(yuǎn)且持久的影響。

表3匯總了本文所提出的量子計(jì)算可能影響社會(huì)的全部領(lǐng)域——尤其聚焦于信息與知識(shí)領(lǐng)域。

4.4 量子倫理與政策

顯然，當(dāng)涉及量子賦能系統(tǒng)的強(qiáng)大能力時(shí)，倫理問(wèn)題是重中之重。如網(wǎng)絡(luò)安全部分所述，量子計(jì)算對(duì)當(dāng)前主流的加密標(biāo)準(zhǔn)（如廣泛應(yīng)用于銀行、醫(yī)療保健和國(guó)家安全等關(guān)鍵領(lǐng)域的 RSA 與橢圓曲線密碼學(xué) ECC）構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。此外，量子技術(shù)還可能驅(qū)動(dòng)超智能人工智能系統(tǒng)的誕生，從而在極短時(shí)間內(nèi)引發(fā)社會(huì)劇變。

因此，開(kāi)發(fā)者與政策制定者亟需就此展開(kāi)深入探討：如何應(yīng)對(duì)量子技術(shù)興起可能帶來(lái)的顛覆性影響？例如——

• 是否應(yīng)賦予某些關(guān)鍵利益相關(guān)方（如政府或基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商）對(duì)新型量子解密技術(shù)的優(yōu)先或早期訪問(wèn)權(quán)？
• 企業(yè)與政府應(yīng)如何協(xié)同監(jiān)管超智能系統(tǒng)的出現(xiàn)與部署？
• 如何確保這些量子工具被負(fù)責(zé)任地使用，并切實(shí)服務(wù)于社會(huì)整體福祉［64］？

近幾十年來(lái)，技術(shù)創(chuàng)新的步伐顯著加快；而從其他新興技術(shù)（如人工智能）的發(fā)展軌跡來(lái)看，量子計(jì)算同樣亟需我們當(dāng)下即給予嚴(yán)肅關(guān)注。就在不到五年前，人們尚以類似態(tài)度看待人工智能及大型語(yǔ)言模型的應(yīng)用前景，然而 AI 卻在看似一夜之間重塑了多個(gè)行業(yè)［65］。近期進(jìn)展——例如谷歌推出的 Willow 芯片，其可在 5 分鐘內(nèi) 解決現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)需耗時(shí) 10 秭年（即

年，遠(yuǎn)超宇宙年齡）才能完成的問(wèn)題［66］——更凸顯我們距離量子技術(shù)的重大突破已然非常接近。

1. 結(jié)論

本文探討了量子計(jì)算的基本原理、當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r及其在多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。盡管量子計(jì)算仍處于早期階段，并面臨諸多重大技術(shù)挑戰(zhàn)——尤其是量子糾錯(cuò)與量子比特穩(wěn)定性問(wèn)題——但其發(fā)展軌跡已清晰預(yù)示：變革性影響即將到來(lái)。其影響遠(yuǎn)不止于計(jì)算密集型學(xué)科；隨著量子技術(shù)日趨成熟，它將重塑網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)施、加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，并可能催生新型人工智能形態(tài)。

未雨綢繆至關(guān)重要：各組織亟需著手研發(fā)抗量子攻擊的安全協(xié)議；科研人員應(yīng)積極探索本領(lǐng)域內(nèi)量子增強(qiáng)型方法；政策制定者則須建立倫理框架，以規(guī)范量子技術(shù)的部署與應(yīng)用。

基于這一認(rèn)知，個(gè)人亦應(yīng)即刻著手準(zhǔn)備，以期成為下一代技術(shù)浪潮的引領(lǐng)者。大型語(yǔ)言模型的興起，僅是快速創(chuàng)新與技術(shù)擴(kuò)張軌跡中的一步；未來(lái)的演進(jìn)極可能在實(shí)踐與政策層面引發(fā)更深層次的變革，因而更需前瞻性布局。即便我們并非量子力學(xué)或量子計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)專家，理解這一創(chuàng)新可能給社會(huì)帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響，仍是每一位公民的必要素養(yǎng)。

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