芯潮（ID：aichip001）
文 | 心緣
世界第一超算Summit需要大約1萬年來完成的計算，量子計算機需要多久？
谷歌研究人員給出答案，3分20秒。
據(jù)英國《金融時報》報道，谷歌研究人員在本周向美國國家航空航天局（NASA）提交的論文中寫道，其實驗標志著量子處理器上執(zhí)行的首次計算。而這一堪稱“恐怖”的計算速度，被研究人員稱作是“量子霸權”的證明。
如果實驗經(jīng)過業(yè)界認可，這將是計算領域的一大里程碑。
而本周早些時候，IBM宣布將在10月推出53量子比特的可商用量子計算機，向外部用戶開放使用，并稱這是迄今為止全球最強大的量子計算機，能讓用戶運行“更加復雜的糾纏和連接設備”。
這是否意味著，量子霸權時代已經(jīng)離我們不遠了？
▲谷歌的量子計算系統(tǒng)
一、量子計算為什么強大？
所謂量子霸權，即指量子計算擁有秒殺所有傳統(tǒng)計算機的計算能力。
為什么量子計算能強大到如此地步？這一燒掉全球無數(shù)科學家腦細胞的神秘黑科技，跳出來傳統(tǒng)物理定律的限制。
傳統(tǒng)計算機每比特非0即1，而在量子計算機中，量子比特可以以處于即是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計算機具備傳統(tǒng)計算機無法想象的超級算力。
舉個例子，如果x=0，運行A；如果x=1，運行B。
傳統(tǒng)計算機永遠只會一次執(zhí)行一種邏輯分支，要么A，要么B，要么兩種情況各運行一次。
但在量子計算機中，變量X是量子疊加態(tài)，既為1，又為0，因此它可以在一次計算中同時執(zhí)行A和B。
如果我們將量子比特的數(shù)量增加到10個，那么傳統(tǒng)計算機需要計算2^10=1024次。量子計算機需要計算多少次呢？
還是1次。
我們再把量子比特數(shù)加到100個、1000個、10000個乃至更多，看出差距了嗎？現(xiàn)有計算機要運行上萬年的工作量，量子計算機只用幾分鐘就能搞定。
在量子計算機面前，復雜的宇宙模擬、航空航天、地震預測、天氣預報、高能物理、化學模擬、藥物研發(fā)、金融分析、加密通信等種種科學計算以及當下火熱的AI應用所需的超強算力，都只是小菜一碟。
近年來，這一象征著國家科技實力巔峰的研究已經(jīng)成為全球各國競相發(fā)展的熱點。
二、谷歌IBM英特爾均已布局，建造量子計算機難度大
“量子霸權”的深遠意義，令無數(shù)科學家前仆后繼地投入期研究之中。從世界頂級高校到谷歌、IBM、英特爾、D-Wave等IT公司都為這項事業(yè)砸下了大量的資源。
當前谷歌的新論文已提交至nasa.gov，但NASA公布后很快又盡管將其刪除，谷歌發(fā)言人拒絕就論文及其結果的真實性予以回應，NASA也未予以置評。
據(jù)部分美媒報道，論文被撤或因其研究還未經(jīng)同行評審徹底討論，而評審過程需經(jīng)數(shù)周或數(shù)月時間。
不算還未正式到來的IBM 53量子比特的量子計算機，現(xiàn)在市面上最大的商用量子設備大約是20量子比特。IBM、谷歌、IonQ等機構已經(jīng)分別測試了50、72、160量子比特設備。
此前，谷歌曾于2018年3月推出其72量子比特的量子計算機芯片Bristlecone，當時稱“對Bristlecone可以實現(xiàn)量子至上的態(tài)度持謹慎樂觀的態(tài)度”。
目前的量子計算主要有三種技術路徑，分別是谷歌和 IBM 采用的通過超導系統(tǒng)實現(xiàn)量子計算、微軟的拓撲量子計算、英特爾的超導量子計算和硅量子點同步研發(fā)。
但迄今為止，尚無機構真正開發(fā)出一款可通用于各種計算任務的量子計算機。已經(jīng)推出機器們都面臨這各種各樣的局限性，規(guī)模尚小、容易出錯，在應用上也往往被限制于某種特定領域。
建造量子計算機的每一步都非常艱難，就現(xiàn)在而言，量子計算機的物理基礎問題還遠未得到解決。
比如為了保證粒子具有盡可能小的熱量，研究人員們通常需要將處理器保持在幾乎絕對為零的溫度，否則錯誤率可能會急劇上升?？刂葡到y(tǒng)亦需經(jīng)過非常精細的設計，來自外部環(huán)境的少量能量都可能造成量子態(tài)崩潰。
另外，和其他自然過程一樣，量子計算過程中也存在噪聲，量子比特內(nèi)部的熱量、量子力學過程中的隨機波動等因素，都可能干擾量子比特的狀態(tài)，最終對計算結構造成影響。
▲IBM Q量子計算機內(nèi)部
三、論文遭熱議：看好潛力，拒絕神話
美國通信巨頭AT&T最近也表示在研究量子網(wǎng)絡或連接量子計算機的技術。
谷歌新論文的消息一經(jīng)傳出，麻省理工學院教授兼量子專家Will Oliver將其喻為美國“小鷹號”航空母艦在航空領域的首次飛行，相信它將進一步推動量子計算領域的研究。
英特爾量子硬件主管Jim Clarke同樣看好谷歌這一進展，他認為商用量子計算機的實現(xiàn)離不開研發(fā)的進步，雖然目前還只是這場馬拉松的第一英里，但他們堅信這項技術的潛力。
不過，并不是所有人都對谷歌這一新進展感到樂觀。
比如有人質(zhì)疑說，如果一臺超級計算機要花一萬年才能檢驗量子計算機所產(chǎn)生的答案，那你怎么確定量子計算機獲得的答案就是對的呢？
由于目前尚不清楚谷歌的量子計算機究竟是在執(zhí)行什么任務。IBM研究主管Dario Gil認為，一個可能是針對非常狹窄的量子采樣問題設計的實驗，并不意味著這些機器將占據(jù)主導地位。
他說：“實際上，量子計算機永遠不會比傳統(tǒng)計算機具有“至高無上”的地位，但由于它們各有千秋，它們將與它們協(xié)同工作?！睂τ谠S多問題，古典計算機將仍然是使用的最佳工具。
結語：量子霸權論將至，但真正落地還很遙遠
如果谷歌的新量子計算機論文經(jīng)過審議發(fā)表，這將是量子科學界非常值得慶賀的一件事。
不過，量子計算機距離嚴格意義的大規(guī)模商用還為時尚早，科學進步從來都是漫長的苦旅，要解決當前這些機器存在的易被破壞、不穩(wěn)定等工程化問題。要造出易構建、易管理和擴展的商用機器，還需研究人員們持之以恒地探索。
