什么是“量子霸权”

理论物理学家约翰·普瑞斯基尔

最近几天来，一个看上去有些怪诞的名词——“量子霸权”（quantum supremacy）开始越来越频繁地出现在新闻里，难免让人感觉有些费解。实际上，这个词已经出现有7年时间了。它最初是由加州理工学院的理论物理学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）在2012年创造出来的。普瑞斯基尔最初虽然也意识到，这个词看上去显得有些不伦不类，但他认为相比于“优势”之类的词汇，唯有用“霸权”才能准确描述出量子计算相对于传统计算方式根本无法比拟的优越性。

“量子霸权”一词最近开始频频出现在媒体报道中，是因为一篇刚刚发表就受到全世界密切关注的论文。有专家认为这篇论文具有划时代的意义，是人类技术史上一个值得纪念的里程碑，麻省理工学院的科学家威廉·奥利弗（William Oliver）甚至把这个成就比作莱特兄弟驾驶飞机完成首次飞行。当然，对于量子霸权的质疑和批评也随之而来。

2019年10月23日，《自然》（Nature）杂志发表了一篇主要由谷歌公司的科学家撰写的论文《通过可编程超导处理器实现量子霸权》（“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”）。早在论文发表之前，在这项研究中也做出了贡献的美国航空航天局（NASA）就曾经迫不及待地把论文发在网上。虽然他们很快又把这篇论文撤下，但内容还是提前泄露了出来，算是为量子霸权进行预热。

论文中所谓实现量子霸权，指的是谷歌公司的科学家在位于加州圣芭芭拉的实验室中实现了量子计算机研究的重大突破，完成了一个利用传统计算机根本无法完成的任务——虽然这个算是完全为目前的量子计算机量身定做的任务，没有任何实际意义，目前的量子计算机也还没法完成任何实际工作。

所谓不可能的任务，是指谷歌公司研发的“Sycamore”量子处理器在200秒的时间里就完成了一系列随机选取的指令。谷歌公司的科学家声称，传统计算机要完成这样的任务，即使是目前人类最快的超级计算机也需要一万年的时间，而量子计算机在200秒内完成（并且经过检验计算正确）。可谓云泥之别，所谓量子霸权名副其实。

对于谷歌公司声称实现了量子霸权，最严厉的批评正是来自于其竞争对手IBM公司。在IBM研究博客（IBM Research Blog）页面，几位IBM科学家撰文，认为谷歌公司对于这项成就的描述未免言过其实。所谓传统计算机需要一万年才能完成的任务，这几位科学家认为，实际上利用目前最强大的计算机，在两天半的时间之内就能完成。对照之下并不算是实现了量子霸权。

即使是对于量子计算的前景最为乐观的科学家，包括普瑞斯基尔本人也都承认，虽然谷歌公司的量子计算研究取得了重大突破，但在目前并没有任何实际应用，也不会为整个研究领域带来巨大的改变。这项从20世纪80年代就开始的研究还有很长的一段路要走，未来的发展也还充满未知。

量子计算的发展格外艰难，是由其自身性质决定的。量子现象是人类在微观领域发现的与宏观经典世界截然不同的一些现象。科学家们在理论上证明，可以利用物质的微观量子态进行计算。因为量子态的特征，其计算效率会远超传统计算机。传统计算机中存储和处理一系列的数字“0”和“1”，虽然其速度不断提升，但随着半导体器件的功能逐渐接近极限，计算机处理器的速度终究会到达尽头。而所谓的“量子比特”（qubit），利用其自身奇特的量子特性，可以同时处于“0”和“1”两种状态。如果利用量子比特进行计算，其进行计算的逻辑完全不同，速度相比传统计算机会有革命性的提升。

而量子计算的弱点也非常明显。让量子比特处于“叠加态”，并且发生相互作用进行计算，需要极其精密的设计。量子态非常容易受到周围环境的干扰而发生“塌缩”。想要进行量子计算，一方面要让量子比特处于极低温、与外界隔绝的状态，另一方面又要让不同的量子比特之间相互联系。想要进行有效的控制和操作，需要科学家花费大量的时间寻求合适的材料，不断完善设计和制造工艺。

谷歌公司的“Sycamore”量子处理器中有53个量子比特进行计算，虽然相比之前已经有了很大进步，但是距离实际应用仍然有很大的距离。比如人们经常提到的利用量子计算的“秀尔算法”（Shor's algorithm）破解目前人类在电子商务中常用的“RSA加密算法”（RSA cryptosystem）。这种方式虽然在理论上可行，但是需要几千个量子比特协同工作。另外，目前人类开发的量子计算机还没有相应的纠错机制。想要建立量子计算机的纠错机制，可能还需要额外的上百万个量子比特。目前看来想要达到这个标准仍然遥遥无期。

尽管长路漫漫，科学家们仍愿意向人们介绍量子计算能够为人类社会带来的巨大改变。量子计算机不大可能像传统计算机一样成为普通的家用电器，但是依赖拥有超强计算能力的量子计算机，人类将可以实现很多突破。例如化学家们希望可以通过计算模拟大分子内部的结构。这种方法虽然在理论上有可能，但是当分子太大时，目前的计算机就无法应付。通过量子计算模拟大分子内部的相互作用，在制药和材料领域取得重大进展，在人工智能、机器学习、密码学、寻找新能源等方面量子计算也都会有重大的应用。

正是因为量子计算展现出了巨大的潜力，虽然距离制造出可以完成实际工作的量子计算机还遥遥无期，但目前很多国家都在这个研究领域进行了大量投入。一些知名公司如谷歌、IBM、英特尔等都在通过不同的途径开发量子计算机，目前可操纵的量子比特数量都在50个到100个之间。只有能操纵更多的量子比特，实现更小的干扰，具有实际应用的量子计算机才会成为可能。一个崭新的量子计算时代虽然仍然遥远，但人们越来越有理由对它寄予厚望。 普瑞斯基尔科学家量子比特量子意识量子