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量子物理将很快让你的手机变得不可破解

量子力学听起来像科幻小说，但它是智能手机运作的原因，也将使2030年的计算机速度提升数百万倍。粒子像醉酒的幽灵一样的行为将如何彻底改变医学、银行业及其他领域。

量子物理是宇宙中最小粒子行为的规则，而且剧透一下：它们不符合常识。在量子层面（想想原子、电子、光子），粒子可以在你观察它们之前同时存在于多种状态，可以瞬间在距离上传递信息，并可以纠缠在一起，以至于测量一个时，立即影响光年之外的另一个。这听起来像魔法，但这是可以测量的、可重复的科学，已经在为你口袋里的技术提供动力。每个LED灯、每个微芯片、每个太阳能电池板都依赖于过去一个世纪发现的量子力学。工程部分是人类利用这些奇特规则来构建有用的东西。量子工程意味着设计利用量子特性，如叠加（同时处于多种状态）和纠缠（粒子神秘地跨空间连接）的设备。传统计算机使用的比特是0或1。量子计算机使用的量子比特可以同时是0和1，这让它们能以指数速度解决某些问题。IBM、谷歌及像IonQ这样的初创公司正在2026年竞相建造稳定的量子计算机，IBM的Condor处理器运行1,121个量子比特，而谷歌声称在特定计算上具有量子优势。这里有一个任何人都可以理解的真实世界例子：想象你正在尝试破解一个256位加密密钥（用来保护你的银行账户的那种）。经典计算机将一个接一个地尝试组合，测试所有组合需要数十亿年。具有足够量子比特的量子计算机可以通过叠加同时测试所有组合，在几小时或几分钟内破解代码。这就是为什么政府和银行正在疯狂开发抗量子加密，在强大的量子计算机普及之前进行保护。国家标准技术研究所（NIST）刚刚在2024年完成了后量子密码学标准，金融机构正在努力在Q日（量子计算机能够破解当前加密的那一天）之前实施它们。从量子研究中产生的技术将在十年内重塑日常生活。即将到来的变化包括：

量子传感器用于医学成像，能够检测单个光子，使MRI质量的扫描不需要大型磁铁，并使诊断便宜且便携，足以在农村诊所使用。
使用纠缠光子的量子通信网络使窃听在物理上不可能，已经在中国的量子卫星网络和欧洲的量子互联网原型中进行测试。
量子增强的GPS导航精确到厘米而非米，这对自动驾驶汽车和无人机快递至关重要，美国军方已在测试原型。
在有机分子中利用量子相干性的室温量子电池，几秒内充电并持有10倍当前容量，目前在大学实验室试验中。
用于药物发现的量子算法，模拟原子与原子的分子相互作用，将制药开发时间从10年缩短到2至3年，已经在Moderna等公司取得成果。

你很快就会接触到的最具体的量子技术是从2022年开始在三星Galaxy手机中出货的量子随机数发生器（QRNGs）。与使用算法的经典随机数发生器不同（这意味着它们在技术上是可预测的），QRNGs测量量子噪声，即量子力学的固有随机性，以生成加密密钥的真正不可预测的数字。当你用指纹解锁手机时，那块三星QRNG芯片正在使用海森堡在1927年描述的同样的量子不确定性来创建不可破解的随机密钥。量子材料工程在超导体（零电阻材料）和拓扑绝缘体（仅在其表面导电的材料）方面带来了突破。罗切斯特大学的研究人员在2023年创造了一种在69°F压力下工作的室温超导体，这是一个重要的标志，可能会消除电网中的能源损失，节省全球产生的5%到10%的电力。量子点、基于量子限制效应发射纯色的半导体纳米晶体，已经为最生动的电视显示器提供动力（三星的QLED，LG的量子点OLED），并正在开发成在特定波长下发光的靶向癌症治疗给系统。量子理论与量子产品之间的差距正在迅速缩小。虽然好莱坞将量子力学描述为传送和平行宇宙，但真正的革命更加实用，更加有利可图：不可破解的加密，革命化物流的优化算法，能够透视墙壁的传感器，以及在任何人建造它们之前设计原子级材料的模拟。公司每年在量子研发上投资超过300亿美元，因为在量子计算中抢占先机的价值可能达到数万亿美元，就像微芯片革命创造了硅谷一样。

我的看法

量子革命并不是即将到来，而是已经在我们身边，人们每天都在不知不觉中使用它们。不是真正的故事是某个遥远的未来量子计算机解决世界饥饿问题。而是我们正在经历昂贵、错误率高的量子工程早期阶段，正如1960年代计算机时代，当时一台计算机需要4000美元并占满一个房间。关于量子计算的炒作已经变得荒唐，风险资本疯狂投入几十年内不会有收入的初创公司，但基本科学是可靠的，计算以外的应用已经进入商业化。让我感到沮丧的是这一点怎么解释得这么糟糕。物理学家喜欢神秘，记者喜欢科幻，所以量子力学被描绘成不可理解的魔法，而不是我们可以利用的工程原则。你不需要理解麦克斯韦方程来使用电力，你也不需要物理学博士学位来受益于量子技术。赢得竞争的公司将使量子优势变得不可见，就像你的手机GPS芯片使用爱因斯坦理论中的相对论修正而你却不知道或不关心一样。未来五年将区分出真正的量子应用（传感器、通信、材料）和炒作过度的应用（台式量子计算机、量子AI、量子区块链无稽之谈）。

接下来会发生什么

到2028年，第一个量子加密网络将上线用于华尔街交易，不是因为银行关心理想主义，而是因为量子攻击RSA加密的演示将迫使其行动。大学研究实验室或情报机构将悄然使用具有1万+逻辑量子比特的容错量子计算机实现2048位密钥的因式分解，引发迁移到后量子密码学标准的恐慌。事件不会立即公开（想象当前加密被破解的混乱），但金融机构将突然加速量子安全基础设施的部署，从“可有可无”到“生存优先”。没有人预料到的意外：中国的量子技术出口限制。如果北京利用其在量子通信和传感器上的领先地位作为地缘政治工具，阻止向某些国家出口量子设备，就像美国限制半导体制造设备那样，到2027或2028年，我们将看到一场量子冷战爆发。没有国内量子产业的国家（大部分非洲、拉丁美洲、东南亚）可能会发现自己被锁定在美国或中国主导的量子技术生态系统中，无法在不重新建立基础设施的情况下切换。这时，量子技术不仅仅是加密问题，而是成为真正的国家安全问题。在商业方面，预计第一个量子设计的药物将在2027年底进入临床试验，使用量子模拟蛋白质折叠，这些蛋白质折叠是经典计算机无法建模的。它可能针对复杂的疾病，例如阿尔茨海默病或某些癌症，这些疾病分子相互作用对传统制药研发过于复杂。首先破解它的公司（很可能是量子计算公司与辉瑞或罗氏等大型制药企业的合作）将引发量子生物技术交易的狂潮，使量子计算通过许可收入而在经济上可行，比通用量子计算机在市场上成熟的时间要早。转向不会是“万事皆可用量子计算机”，而是“非常具体的数十亿美元问题的量子优势”。

历史告诉我们什么

量子革命类似于1880年代到1920年代的电力发展。当爱迪生和特斯拉争斗交流电与直流电时，大多数人将电视为实验室好奇心，实用性有限。从第一次演示（1880年代）到广泛家庭采用（1920年代）花了40年。自1998年首次展示功能性量子算法起，到现在我们大约进入25年的量子时代。像电力一样，量子力学通过纯研究被发现（普朗克在1900年，海森堡和薛定谔在1920年代），几十年前，人们才弄清楚如何从中工程出有用的设备。晶体管提供了一个更接近的类比。1947年在贝尔实验室发明的晶体管，直到1960年代集成电路使其足够便宜用于消费电子产品，才从实验室设备中成为大众商品。第一台商业晶体管收音机（1954年）售价50美元（约合今天的550美元）。到1965年，晶体管无处不在且便宜。量子技术正在遵循相同路径：IBM的量子计算机价值数千万美元，需要冷却至15毫卡冷的稀释冰箱，但初创公司已经在开发室温量子传感器和成本不到10美元的量子随机数发生器芯片。模式重复：基础物理发现，十年昂贵的实验室研究，微型化，成本崩溃，普及。

市场影响

2026年量子技术的股票被严重高估，交易更多基于炒作而非收入，但耐心的投资者仍有特定机会。IonQ（IONQ）在其2021年通过SPAC上市后，交易仍在8到12美元之间，仍然是最纯粹的上市量子计算赌注，实际量子计算即服务收入，与亚马逊网络服务和微软Azure的合作。Rigetti Computing（RGTI）在2至3美元之间徘徊，提供更高风险和更高回报的机会，其超导量子处理器。两家公司都在烧钱，要到2028年或2030年才能盈利，但它们正在建造真实技术，而不是空谈。更聪明的投资是量子相关基础设施。当前交易在850至950美元的NVIDIA（NVDA）供应量子计算机操作和模拟量子算法所需的经典计算基础设施（GPU，控制系统，模拟软件）。每个量子计算实验室都是NVIDIA的客户。半导体设备制造商，如ASML（ASML），交易在900到1100美元之间，将在量子处理器设计稳定后规模化制造中起关键作用。为了多样化的量子曝光，Defiance Quantum ETF（QTUM）持有一篮子量子相关公司，尽管其中稀释了一些技术股票。对纯量子计算股票在2027年前短期看空，因现实检查打击膨胀的期望及资金紧缩。长期看好（5至10年视角）实现收入的量子传感器、量子通信和量子材料公司，先于通用量子计算机成熟。真正的钱将由解决特定问题（药物模拟、材料设计、金融优化）的公司而不是为不需要它们的消费者建造通用量子计算机的公司赚到。