“量子計算機200秒，能抵最強超算10000年”！上個月，谷歌的科學家們在網上發佈聲明，表示他們已經成功實現“量子霸權”，達成人們期待已久的量子計算技術里程碑。今天，谷歌這篇代表量子計算技術最新突破的論文登上了Nature雜誌150週年版封面，正式爲我們解開了谷歌量子霸權的全貌。谷歌表示：這是全球第一臺能夠解決傳統計算機無法在合理時間內完成的處理任務的量子計算機。
你好，量子世界
近十來年，谷歌的科學家一直在努力創造一種全新的計算機處理器，該處理器可以解決對於當前世界上最好的超級計算機來說都太難的問題。現在，谷歌宣佈他們成功做到了這一點：他們利用54量子比特的Sycamore量子計算機在200秒內完成了一個計算，而同樣的計算用當今最強大的超級計算機Summit執行，需要約10000年。相關論文的草稿版本前不久在NASA網站上意外泄漏，沒過多久即被悄悄刪除，但仍然在業內引發軒然大波。
今天，谷歌實現量子霸權的論文終於以封面文章的形式在Nature雜誌上正式發表。
與此同時，Nature發表了一篇觀點報道，稱這項成就是量子計算領域的重大里程碑事件。
谷歌的量子霸權證明
量子計算機的工作原理與經典計算機存在根本區別：經典比特隨時處於1或0狀態，但量子比特則可同時處於多種狀態。當量子比特之間緊密相連時，物理學家在理論上可以利用其波狀量子態間的干擾效應迅速完成經典計算機需要幾百萬年才能解決的複雜任務。
而所謂量子霸權，指的就是量子計算機能夠解決“經典（非量子）”計算機在合理時間範圍之內無法解決的複雜難題這一關鍵性節點。
物理學家們認爲，量子計算機終有一天將承載起革命性的算法——例如對笨重的數據庫者搜索，或者分解大量數據，特別是經過加密的數據庫內容。但是，這類實際應用恐怕還要數十年纔有可能實現。因爲量子比特越多，保持設備的穩定運行狀態就越困難。目前人們普遍認爲構建通用型量子計算機可能需要至少100萬個量子比特。相比之下，谷歌的算法運行在一塊僅包含54個量子比特的量子芯片之上，其中每一個量子比特都由超導環組成。
在證明當中，谷歌研究小組採用名爲Sycamore的量子計算機，嘗試描述量子版本的隨機數生成器給出不同結果的具體概率。他們通過運行一系列隨機運算在由53個量子比特構成的迴路上完成了計算任務。
具體來講，該回路可生成一個由1和0組成的總計53位的字符串，代表總共253種可能的組合（之所以僅使用53個量子比特，是因爲Sycamore上的1個量子比特因損壞而無法正常使用）。整個流程極爲複雜，我們根本無法利用第一原理進行結果預估，因爲這可以說是個真正的隨機問題。但由於量子比特之間的干擾效應，某些數字串比其他數字串的出現概率更高。這類似於打骰子——雖然某些點數的出現機率高於其他點數，但其在本質上仍然屬於隨機過程。Sycamore通過對迴路進行採樣（運行一百萬次並記錄觀察到的輸出字符串）來計算概率分佈。這種方法類似於不斷打骰以記錄點數偏差。
馬里蘭大學帕克分校的物理學家Christopher Monroe指出，從某種意義上講，這臺機器的日常工作跟科學家非常相似：利用實驗找到經典計算機無法解決的量子問題的答案。他同時表示，此次實驗的特殊之處，在於谷歌的量子計算機並非單一用途——其具有可編程能力，因此可通過設置實現靈活應用。
在另一方面，對結果的驗證也成爲新的挑戰。爲此，谷歌研究團隊將輸出與較小、較簡單版本的迴路模擬結果進行比較——這些模擬結果由經典計算機完成，包括位於田納西州橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機。從示例中進行推論，谷歌團隊估計一臺具有100萬個處理單元的經典計算機（算力約等於10萬臺普通臺式機）對完整迴路進行模擬約要花費1萬年時間，但Sycamore卻只需要3分20秒。
谷歌認爲他們的量子霸權論據嚴密而有力。谷歌量子計算團隊負責人Hartmut Neven表示，即使外部研究人員減少了經典模擬的計算時間，但量子硬件本身也在不斷改進。這意味着對這個問題，經典計算機應該永遠也無法跟上量子計算的腳步。
加利福尼亞大學聖芭芭拉分校實驗物理學家John Martinis指出，儘管目前研究人員只能在非常特殊的場景之下證明這種優勢，但其仍然向物理學家們證明，量子力學在解決複雜問題時確實符合人們的先驗預期，即量子計算機的性能有望超越傳統計算機。
Martinis將此次實驗比作量子計算領域的“Hello World”程序（一種通過顯示Hello World字樣測試新系統的基礎程序）。他表示，雖然此次實驗本身沒有太大的實踐價值，但卻證明了谷歌的量子硬件與軟件確實能夠正常運行。
澳大利亞新南威爾士大學量子物理學家Michelle Simmons表示，“看起來，谷歌公司已經爲我們提供了第一份實驗證據，證明量子確實能夠在現實系統當中實現計算加速。據我所知，這是量子霸權首次得到證明，絕對值得大書特書。”
得克薩斯大學奧斯汀分校理論計算機科學家Scott Aaronson表示，儘管谷歌選擇的計算方法（即檢查量子隨機數發生器的輸出結果）在實際應用中存在重大侷限，但“只要得到了應有的結果，而且與預先猜想完全相符，那麼已經代表巨大的科學成就。”
目前應用空間有限
Monroe表示，谷歌的這一成就有望吸引到更多計算機科學家與工程師加入量子計算領域，從而推動其整體發展。但他同時警告稱，這一消息也可能會給人帶來錯誤印象，以爲量子計算機距離大規模實際應用已經很近。他表示，“普通民衆可能會認爲，「量子計算機已經打敗經典計算機了，過兩年我們家裏用的可能都會是量子計算機。」”
事實上，科學家們並未證實可編程量子計算機能夠解決一切經典計算機無法解決的問題——例如計算特定分子的電子結構，這是一種需要對多量子間相互作用進行建模的極複雜問題。Aaronson指出，另一個重要步驟，就是在糾錯算法當中同樣證明量子霸權的真實性。所謂糾錯算法，旨在糾正由噪聲引起的錯誤，目的在於保證計算過程準確無誤。物理學家們認爲，糾錯算法是量子計算機實際大規模運行的根本前提。
谷歌方面表示，他們正在努力實現這兩大里程碑，並將在未來幾個月內公佈相關實驗結果。
未來，谷歌工程師必須對現有硬件進行大量改進才能實現這種算法的日常運行，包括開發新的電子設備以控制量子電路，同時設計出一種新的量子比特間連接的方法。這也是接下來谷歌在量子計算上工作的基本方向。
勁敵表態：一個炮轟，一個祝賀
谷歌CEO：意義堪比發明飛機
谷歌CEO Sundar Pichai 連發3條推文祝賀，可見激動之情，他表示，對谷歌AI團隊在量子計算領域取得的重大突破——“量子霸權”感到自豪，“量子計算對未來意味着什麼，這讓我們興奮不已——它爲我們提供了另一種方式來表達宇宙的語言，更好地理解這個世界，不僅是在1和0之間，而是在它的所有狀態：美麗、複雜和無限的可能性。”
在接受麻省理工科技評論專訪時，Pichai表示這項里程碑對於谷歌意義非凡，他甚至將這項突破與萊特兄弟發明飛機相類比。他表示，萊特兄弟當時發明的第一架飛機僅在空中飛行了約12秒鐘，其設計在生活中並沒有任何實際應用，但它確實證明了飛機的概念是可行的，在這一點上量子計算也不例外。
Google AI負責人Jeff Dean在自己的推特上表示，很高興看到谷歌AI量子研究團隊實現了這個早期里程碑，這是向量子計算的實際應用中邁出的第一步，但也是重要的一步。
IBM炮轟開懟
作爲谷歌量子計算研究最大的競爭對手，IBM第一時間出來炮轟谷歌，其一直在與谷歌競爭誰能造出全球最先進的量子計算機。IBM認爲谷歌誇大了成就，在一篇博客中，IBM詳盡羅列了對於谷歌的反駁意見。
IBM質疑一萬年推算
IBM的量子計算科學家在本週一表示，谷歌聲稱的“量子霸權”存有缺陷。谷歌並沒有充分利用現代超級計算機的計算能力，這實質上操縱了這場競賽。
博客中，IBM表示，谷歌關於10000年時間的估算是錯誤的。事實上，同樣任務的理想模擬可以在2.5天內在一個經典系統上完成，而且準確度要高得多。
這篇論文尚未經過同行評審，但如果IBM是正確的，那麼谷歌此次量子霸權里程碑的意義將“大打折扣”——這意味着谷歌的成就將從“完成經典計算機不可能完成的事”，縮水到“以比經典計算機快得多的速度完成同樣的事”。
量子霸權概念具有誤導性
IBM認爲谷歌提出的”量子霸權”概念具有誤導性。John Preskill 在2012年提出的“量子至上”(quantum supremacy)一詞的原意是描述量子計算機可以做經典計算機做不到的事情，按照其最嚴格的定義，這個門檻（目標）並沒有達到。
“我們已有足夠的證據表明‘量子霸權’一詞被廣泛誤讀且造成越來越多的困惑，我們建議大家不要再使用這個詞，且希望社區儘早放棄繼續使用這個詞。”IBM在博文中寫道。
IBM敦促業界用質疑的眼光來看待谷歌所謂的“首次宣稱”，即量子計算機能夠實現經典計算機不能實現的任務這一觀點。
IBM還提出了“量子優勢”的概念，認爲應該在一個真實應用場景，比如金融服務、AI、化學中，來對比量子計算機和經典計算機的工作。
實現量子霸權還有很長的路要走
IBM認爲，量子霸權還未真正實現，還有還長的路要走。
爲讓量子對社會產生積極影響，當前的任務是繼續構建並推廣更強大的可編程量子計算系統，並且該系統系統還應該可以複用且可靠地實現各種量子演示、算法和程序。這是在量子計算機上實現實際解決方案的唯一途徑。
此前，IBM一直致力於在商用量子計算機方面的研究，其在紐約設有量子計算小組。今年年初，IBM推出了一款名爲“IBM Q System One”的20比特量子計算系統。今年5月，IBM全球副總裁Norishige Morimoto在IBM Think峯會開幕上表示，計劃在未來三到五年內將量子計算機商業化。一個月後，IBM宣佈與一些非洲大學建立合作伙伴關係，將使用IBM Q的處理能力來研究藥物研究和開發，採礦及自然資源管理等領域。
英特爾：祝賀谷歌，但要繼續向終點線邁進
英特爾也是谷歌在量子技術研究領域的勁敵，對於谷歌的最新成果，英特爾方面的迴應倒是比IBM顯得大度許多。
目前全球的科研機構、政府、技術公司等都在努力實現商業上可行的量子計算系統。儘管取得了進步，但最終實現該目標仍然遙遙無期，這將是量子計算商業化的馬拉松比賽之一。因此，英特爾技術、系統架構和客戶端事業部副總裁 Rich Uhlig認爲，對於谷歌的最新研究—這一馬拉松中的重要里程碑應該得到承認，慶祝和建立。
Rich Uhlig表示在爲這一突破時刻鼓掌的同時，還應該繼續着眼於向着終點線即實現“量子的實用性”而奮進。爲了實現量子實用性方面，英特爾研究人員使用高性能量子仿真器預測了量子計算機在解決名爲Max-Cut的優化問題方面可以超越超級計算機的情況。並經過研究表明，至少要有數百個（甚至數千個）量子位可靠地工作，量子計算機才能比超級計算機更快地解決實際問題。
在過去幾年裏，英特爾在批量生產量子計算機方面取得了一系列進展：2015年9月，英特爾向代爾夫特理工大學量子研究所QuTech和荷蘭應用研究組織承諾投入5000萬美元；2018年，在CES上，英特爾宣佈構建了一個名爲Tangle Lake的49比特量子超導芯片；今年3月，英特爾宣佈了一種量子計算機測試工具，該工具允許研究人員驗證量子芯片可靠性晶圓並檢查量子比特在構建成全量子處理器之前是否正常工作。
特朗普女兒伊萬卡：美國實現了量子霸權
特朗普女兒伊萬卡在推特上似乎顯得比Pichai 還要激動，不過她的祝賀還悄悄偷換了概念，她宣稱“美國已經實現了量子霸權，我們迎來了美國下一代量子技術！谷歌的突破錶明美國在技術創新方面繼續領先世界“。伊萬卡還藉機說明將《國家量子計劃法案》簽署爲法律支持強大的量子研發的正確性。
量子計算研究關乎國家安全，該研究將對國家安全至關重要的計算機的加密和密碼學產生重要影響，中國和美國將其視爲國家安全問題。
據悉，中國已在國家量子實驗室上投入了4億美元，近年來申請的量子專利數量幾乎是美國的兩倍。2018年，特朗普簽署了《國家量子計劃法案》，該法案計劃投入12億美元，以促進量子技術，尤其是量子計算機的研究。今年，特朗普政府推出了自己的國家量子計劃，並承諾在包括計算機在內的量子研究上投入12億美元。
國內量子計算現狀
量子計算是科技行業競爭的一大焦點，自然少不了中國企業的身影。阿里巴巴、華爲、騰訊、百度等知名科技企業都早已入局。雖然沒能形成所謂“量子霸權”，但是他們的成就也是不容忽視的。
阿里巴巴
2015年7月，阿里巴巴旗下阿里雲和中國科學院在上海建立了一個名爲阿里巴巴量子計算實驗室的研究機構。該實驗室研究各個領域的量子計算應用，包括人工智能和電子商務和數據中心的安全性。
2018年2月，阿里雲推出了具有11個量子比特的量子計算雲服務。
2018年5月，阿里巴巴達摩院正式推出了名爲**“太章”的量子電路模擬器**。太章藉助阿里巴巴的分佈式計算平臺，成功模擬了一些作爲基準的中間規模的量子電路。據悉，太章正在成爲阿里巴巴基於張量的量子激發經典計算系統裏的計算引擎，將是研發量子計算物理實現和應用的核心工具之一。
2018年的雲棲大會上，阿里巴巴集團首席技術官、達摩院院長張建鋒宣佈，達摩院已經開始研發超導量子芯片和量子計算系統。這使得阿里巴巴成爲繼IBM、微軟、谷歌和英特爾之後，全球第五家啓動量子硬件研發項目的大型科技企業。
華爲
2018年10月18日，華爲在HC 2018大會上發佈量子計算模擬器 HiQ 雲服務平臺，包括量子計算模擬器與基於模擬器開發的量子編程框架。
基於華爲雲的算力，HiQ 可模擬全振幅 42 量子比特以上，單振幅 81 量子比特以上，對於低深度電路的單振幅可模擬 169 量子比特。華爲量子計算模擬器 HiQ 雲服務平臺將對外開放，成爲研究和教育的使能平臺。
2019年6月，華爲在量子計算領域再進一步，神祕的“2012實驗室”推出崑崙量子計算模擬一體機原型。華爲認爲未來不存在“量子霸權”，實際存在的應該是“量子優勢”， 而華爲的目標就是瞄準通用量子計算機，終極目標是把量子計算機做出來。
百度
百度於2018年3月宣佈成立量子計算研究所，該計劃的重點是量子信息理論和量子計算。百度的主要業務之一是搜索引擎，而搜索大量數據正是量子計算的潛力之一。
2019年10月20日，在CNCC的量子計算專場上，百度研究院量子計算研究所所長段潤堯對百度最新開發的“量脈”系統做了介紹。
量脈（Quanlse）是百度研究院旗下量子計算研究所開發的量子脈衝計算系統，適用於核磁共振量子計算、超導量子計算等平臺的量子邏輯門脈衝快速產生及優化。
據瞭解，百度計劃在五年內組建世界一流的量子計算研究所，並逐步將量子計算融入到業務中。
騰訊
騰訊對量子計算的佈局始於2017年初，葛凌（Ling Ge）教授以騰訊歐洲首席代表身份加入騰訊，被認爲是騰訊佈局量子計算的開端。2018年初，香港中文大學著名量子理論計算機科學家張勝譽教授加盟，並搭建騰訊量子實驗室。
2018年，騰訊提出用“ABC 2.0”技術佈局（AI、RoBotics、Quantum Computing)，構建面向未來的基礎設施，探索推動以技術服務B端實體產業。
目前，騰訊將量子和AI技術首先應用於化學研究與製藥行業。基於對製藥企業的調研，騰訊量子實驗室在小分子藥物發現流程中引入AI模型，用量子性質的計算和判別、生成與強化學習的機器學習模型，將學術界和傳統製藥企業有效連接，幫助傳統藥物研發流程升級，提高藥物研發效率。
另外，騰訊量子實驗室也在探索搭建 SimHub 科學計算平臺，建立雲端的科學計算生態。
結 語
華爲量子計算軟件與算法首席科學家翁文康曾在接受InfoQ採訪時表示：
量子計算是一場從根上開始的革命，在理論上有巨大的潛力，但距離真正的商用，從硬件、軟件到算法還有非常多的技術挑戰，是一個複雜的系統工程。 … 針對企業來說，今天應用量子技術的配套裝置僅僅是個開始。接下來的挑戰大部分是工程技術上的，而非科學理論上的。量子技術更激動人心之處正是它目前尚未開發的潛能。量子技術更激動人心之處正是它目前尚未開發的潛能。
量子時代到來的前夕，先行者們已經勇敢地走出了第一步，未來會有更多追隨者加入到量子計算的浪潮中來，路漫漫其修遠兮，在無數探索者的共同努力下，人類或許能更早感受到量子計算帶來的改變。
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/