摘要
理論上，量子計算機可以在電池設計、藥物開發、地外探索、機器學習等領域大施拳腳。
人類目前最強的超級計算機需要一萬年才能完成的計算，谷歌的量子計算機僅需 200 秒就能完成。
9 月 20 日，據《金融時報》報道，谷歌的一個研究小組首次通過實驗，演示了「量子霸權」的存在，證明量子計算機能夠在實際算力上碾壓一切經典計算機，包括當前最強的超級計算機。
關於該實驗的記錄，最初發表在 NASA 網站上的一篇論文中，但不久之後，論文就被撤下，截止目前，谷歌還未迴應媒體的置評請求。
「量子霸權」是什麼？
量子計算機的概念並不新潮，早在第一臺電子計算機埃尼阿克誕生 20 多年之後的 1969 年，科學家就提出了量子計算的可能。
經典的電子計算機，是基於數字電路的「通電」和「斷電」兩種狀態來實現運算的。對電路來說，這是兩種確切的狀態，不是「0」就是「1」，這也就是我們常說的「比特」。
量子計算機的不同之處在於，它由微觀的量子來構成比特。由於量子存在疊加現象，所以一個量子比特可以同時處於 0 和 1 兩種狀態。這使量子計算機可以並行處理大量數據，在傳統計算機上，這些數據是要按順序依次處理的。多年以來，科學家一直在試圖證明量子計算機在算力上能夠絕對碾壓傳統計算機，這就是「量子霸權」（Quantum Supremacy）。
谷歌的量子計算實驗裝置 | Google
量子計算機的比特能夠以「疊加態」的形式存在，這也意味着量子計算機在運算的過程中極易出錯，即使是很小的震動，甚至是溫度變化，都會破壞量子比特的微妙狀態。爲了使量子計算機穩定工作，谷歌將自家的計算機封裝在一個密閉的金屬容器裏，容器內部的溫度接近絕對零度，只有 10 毫開爾文（1 開爾文的百分之一），是全宇宙最冷的地方。研究人員一直在尋找有效的構建、管理量子計算機的方法。
在處理某些特定問題時，量子計算機能體現出「霸權」，但這並不意味着量子計算機就會完全取代經典計算機。IBM 量子計算研究總監 Dario Gil 就表示，「量子計算機相比經典計算機永遠不會具有絕對的『霸權』，它們在不同的領域各具優勢，未來兩者將會協同工作。」
谷歌的優勢
在此次「意外公佈論文」事件之前，谷歌早已在量子計算機領域取得領先。
去年，谷歌對外展示了一款擁有 73 個量子位的量子計算機，領先競爭對手 IBM 幾乎同期公佈的 53 位機。但在此次「量子霸權」的實驗演示中，谷歌使用的是另一款更小的計算機，名爲 Sycamore。這是一款 54 位的量子處理器，但其中有一個量子位無法達到標準，所以谷歌只使用了其中 53 個量子位執行採樣計算任務。
谷歌最先進的量子計算機 Bristlecone | Google
在泄漏的論文中，谷歌描述了實驗的過程。首先，谷歌用經典計算機生成了一系列量子指令，論文中稱之爲「量子門」，它們相當於傳統計算機中的邏輯門，也就是 1 或 0，這一系列量子指令構成了一個「量子電路」。之後，這個量子電路被髮送到量子計算機，通過處於純 0 狀態的量子位來執行運算。因爲量子計算的不確定性，這些結果會各不相同，當仍然有概率上的分佈特徵（有的結果出現次數多，有些則少）。最後，量子計算機會基於結果的概率分佈，輸出結果樣本。
最後，研究者將量子計算機輸出的結果樣本與之前經典計算機上模擬的結果進行比對，就能得出量子計算機執行計算的準確程度。谷歌之所以在此次實驗中使用一臺 54 位機，而不是最先進的 73 位機，就是因爲隨着量子計算機量子位的增多，經典計算機的算力將不足以對量子計算機的計算結果進行驗證。
一名正在 MIT 攻讀量子物理博士的知乎用戶「少司命」對論文進行解讀後，表示谷歌的實驗「在最極端的情況下，對一個 53 比特 20 個 cycle 的電路採樣一百萬次，在量子計算機上需要 200 秒，而用目前人類最強的經典的超級計算機，同樣情況下需要一萬年。」
谷歌未公開自家量子計算機具體在執行什麼任務，或研究什麼方向。單就此次泄漏的論文來看，它相當於在量子計算領域開了一條小縫，讓我們得以初窺量子計算機的強大算力，但更關鍵的問題仍在於未來的應用。
「霸權」引發的擔憂
興奮之餘，「量子霸權」實現的消息也引發了不少擔憂。
美國 2020 年總統候選人楊安澤在 Twitter 上表示，谷歌實現「量子霸權」意味着不再有牢不可破的（加密）密碼了。的確，想要暴力破解經過加密的密碼需要耗費大量的算力，而量子計算機呈指數增長的恐怖算力，恰好會對密碼學構成威脅。
但目前我們還不需要過於擔心這件事，谷歌的量子計算機在執行特定任務時可以展現出相比傳統計算機的「霸權」，這並不意味着它能夠被用來破解密鑰。一名量子力學教授 Scott Aaronson 在接受採訪時表示，當下主流的 RSA 加密方式只能被「幾千個量子位」的量子計算機暴力破解，而目前還沒有超過 100 個量子位的量子計算機。
理論上，量子計算機的龐大算力可以在電池設計、藥物開發、地外探索、機器學習等領域大施拳腳。NASA 之所以和谷歌等公司合作開發量子計算機，就是希望能夠使用量子計算機輔助調度航天任務，探測太陽系外行星。作爲一家「AI 優先」的公司，谷歌希望通過量子計算機執行機器學習任務，拓展 AI 的性能。
谷歌的第一代量子位元控制器 | Google
只不過現在談這一切或許還爲時尚早。
一些學者已經對谷歌的實驗方法提出了質疑，耶路撒冷希伯來大學的教授 Gil Kalai 就指出，谷歌的實驗相當於讓量子計算機對經典計算機已經完成的「理想輸出」進行採樣，沒有進行額外的計算就獲得了結果。加州理工大學教授 John Preskill 也認爲這不是一場「公平」的競爭，谷歌精心設計了一個「天然適合量子處理器的問題」供自己的計算機解決。他認爲想要實現更具普遍適用性的量子計算，仍需要技術上的飛躍。
谷歌實現「量子霸權」的消息放出後，身處同一領域的 IBM 研究總監 Dario Gil 對結果表示了祝賀，但他也表示，自己很擔心「霸權」（Supremacy）這個詞可能會使外界對量子計算領域報以過高的期望。「我們需要造出更具有實用價值的機器，這不是一兩年的事，需要漫長的時間。」
頭圖來源：Google
責任編輯：宋德勝