芯潮（ID：aichip001）
文 | 心緣
世界第一(yi)超算Summit需(xu)要大約1萬(wan)年(nian)來完成(cheng)的(de)計(ji)算，量子計(ji)算機需(xu)要多久(jiu)？
谷歌研(yan)究(jiu)人(ren)員給出答(da)案(an)，3分20秒。
據英國《金(jin)融時(shi)報(bao)》報(bao)道，谷歌研(yan)究(jiu)人員在本周向美(mei)國國家航(hang)空(kong)航(hang)天局(ju)（NASA）提交的論(lun)文中寫道，其實(shi)驗標志(zhi)著量子處理器上執行(xing)的首次計(ji)算。而這一堪稱(cheng)“恐怖”的計(ji)算速度，被(bei)研(yan)究(jiu)人員稱(cheng)作是“量子霸權”的證明。
如果實(shi)驗經過業界(jie)認可，這將(jiang)是(shi)計算(suan)領(ling)域的一大里程(cheng)碑。
而本(ben)周早些時候，IBM宣布將在10月(yue)推出53量(liang)子比特的(de)可商用(yong)量(liang)子計(ji)算(suan)機，向外(wai)部用(yong)戶開放使(shi)用(yong)，并稱(cheng)這(zhe)是(shi)迄今(jin)為(wei)止全球最(zui)強大的(de)量(liang)子計(ji)算(suan)機，能(neng)讓用(yong)戶運行(xing)“更加復(fu)雜的(de)糾纏和(he)連(lian)接設備”。
這(zhe)是否意味著，量(liang)子霸權時(shi)代已經離我們不遠了？
▲谷歌的量子計算系統
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計算機的計算能力。
為(wei)什么量子計算能(neng)強大到如(ru)此地步？這(zhe)一燒掉全球(qiu)無數科學家(jia)腦細胞(bao)的神秘黑科技，跳出來傳統物理(li)定律的限制。
傳統計(ji)算(suan)機每比特(te)非0即1，而在量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)機中(zhong)，量(liang)子(zi)(zi)比特(te)可以以處于即是(shi)0又是(shi)1的量(liang)子(zi)(zi)疊加態，這(zhe)使得(de)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)機具備(bei)傳統計(ji)算(suan)機無法想象的超級算(suan)力。
舉個(ge)例子，如(ru)果(guo)x=0，運行A；如(ru)果(guo)x=1，運行B。
傳統(tong)計算機永(yong)遠只會一(yi)次執行一(yi)種邏輯分支(zhi)，要么(me)A，要么(me)B，要么(me)兩種情(qing)況各運行一(yi)次。
但在(zai)量子(zi)計算機中(zhong)，變量X是量子(zi)疊加態，既為1，又為0，因(yin)此它可(ke)以在(zai)一(yi)次計算中(zhong)同時(shi)執行A和B。
如果我們將量子(zi)比特的(de)數(shu)量增加到10個(ge)，那么傳統(tong)計算(suan)機需要計算(suan)2^10=1024次。量子(zi)計算(suan)機需要計算(suan)多少(shao)次呢？
還是1次。
我們再把量子比特數加到100個、1000個、10000個乃至更多，看出差距了嗎？現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(zi)計算(suan)機面前，復雜的宇宙模(mo)擬(ni)、航空航天(tian)、地震預(yu)測(ce)、天(tian)氣預(yu)報、高能物理、化學(xue)模(mo)擬(ni)、藥(yao)物研發(fa)、金融分(fen)析、加密通信(xin)等種(zhong)種(zhong)科學(xue)計算(suan)以及當下火熱的AI應用所需的超強(qiang)算(suan)力，都只是小菜一碟(die)。
近年來，這(zhe)一象(xiang)征著國家(jia)科技(ji)實力巔峰的研究已經(jing)成為(wei)全球各國競相發展的熱點。
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，令無數科學家(jia)前仆后繼地投入(ru)期研究之中(zhong)。從世界(jie)頂級(ji)高校到谷歌(ge)、IBM、英特爾、D-Wave等IT公司都(dou)為這項事業砸下了大量的資源(yuan)。
當前谷歌(ge)的新論(lun)(lun)文(wen)已(yi)提交至(zhi)nasa.gov，但NASA公布(bu)后很快(kuai)又盡管將其(qi)刪除(chu)，谷歌(ge)發言人(ren)拒絕就論(lun)(lun)文(wen)及其(qi)結果(guo)的真(zhen)實性(xing)予(yu)以回應，NASA也未予(yu)以置評。
據部(bu)分(fen)美(mei)媒報道(dao)，論(lun)文被撤或(huo)因(yin)其(qi)研究還(huan)未經同行(xing)評審(shen)徹底討論(lun)，而評審(shen)過(guo)程(cheng)需經數周(zhou)或(huo)數月時間。
不算(suan)還未正式到(dao)來(lai)的IBM 53量(liang)(liang)子比特的量(liang)(liang)子計算(suan)機，現在市面上最大的商用量(liang)(liang)子設備(bei)大約是20量(liang)(liang)子比特。IBM、谷歌、IonQ等機構已經(jing)分(fen)別測試了50、72、160量(liang)(liang)子比特設備(bei)。
此前，谷歌曾(ceng)于(yu)2018年3月推出其72量子(zi)(zi)比特的(de)(de)量子(zi)(zi)計(ji)算(suan)機芯片Bristlecone，當時(shi)稱(cheng)“對Bristlecone可(ke)以實現量子(zi)(zi)至上(shang)的(de)(de)態度持(chi)謹慎(shen)樂(le)觀的(de)(de)態度”。
目前的量(liang)(liang)(liang)子計(ji)算主要有三種技術路(lu)徑(jing)，分別是谷歌和 IBM 采用(yong)的通過超(chao)導系統實現量(liang)(liang)(liang)子計(ji)算、微(wei)軟的拓撲量(liang)(liang)(liang)子計(ji)算、英特爾(er)的超(chao)導量(liang)(liang)(liang)子計(ji)算和硅量(liang)(liang)(liang)子點同步研發。
但迄今為止，尚(shang)無機(ji)構真(zhen)正開發出一(yi)款可通用于各種計(ji)算任(ren)務的(de)(de)量(liang)子計(ji)算機(ji)。已經推(tui)出機(ji)器們(men)都面臨(lin)這各種各樣的(de)(de)局限(xian)性，規模尚(shang)小、容易出錯，在應用上也往往被限(xian)制于某種特定領域。
建造量(liang)子計算(suan)機(ji)的每一步都(dou)非常艱難，就現(xian)在而言，量(liang)子計算(suan)機(ji)的物(wu)理基礎(chu)問題還(huan)遠未得到解(jie)決(jue)。
比如為了保(bao)證粒子具有(you)盡可(ke)能小的(de)熱量(liang)，研(yan)究人(ren)員們通常(chang)(chang)需要將處理器保(bao)持(chi)在(zai)幾乎絕對為零(ling)的(de)溫度(du)，否(fou)則錯(cuo)誤率可(ke)能會(hui)急劇(ju)上升。控(kong)制系(xi)統亦需經過非常(chang)(chang)精細的(de)設計，來自外(wai)部環境的(de)少量(liang)能量(liang)都可(ke)能造成(cheng)量(liang)子態崩潰。
另外，和其他自(zi)然(ran)過(guo)程一樣(yang)，量(liang)子計(ji)算過(guo)程中也存(cun)在噪聲，量(liang)子比特內部的熱量(liang)、量(liang)子力學過(guo)程中的隨機(ji)波動等因素，都可能干擾量(liang)子比特的狀(zhuang)態，最終對計(ji)算結構造成影響。
▲IBM Q量子計算機內部
三、論文遭熱議：看好潛力，拒絕神話
美國通信巨(ju)頭AT&T最近也表示在研究量(liang)子(zi)網絡(luo)或連接量(liang)子(zi)計算機的技術。
谷歌新論文的消息一經傳出，麻省理(li)工(gong)學院教授(shou)兼量(liang)子專家Will Oliver將其喻為美國“小(xiao)鷹號”航(hang)空(kong)母艦在航(hang)空(kong)領(ling)域的首次飛行，相信它將進一步推動量(liang)子計算領(ling)域的研(yan)究。
英特爾量子硬件主管Jim Clarke同樣看(kan)好(hao)谷歌(ge)這(zhe)一(yi)進(jin)展，他認為(wei)商用量子計(ji)算機的實現離不開(kai)研發的進(jin)步，雖然目(mu)前還(huan)只是這(zhe)場馬拉松(song)的第一(yi)英里，但(dan)他們堅信(xin)這(zhe)項技術的潛(qian)力。
不(bu)過(guo)，并不(bu)是(shi)所有(you)人都對谷歌這(zhe)一新進展感到樂觀(guan)。
比如(ru)有人(ren)質(zhi)疑說(shuo)，如(ru)果(guo)一臺超級計算機要(yao)花一萬年才(cai)能檢驗量子計算機所產生的答案，那(nei)你(ni)怎么確定(ding)量子計算機獲得的答案就是對的呢？
由于目前(qian)尚不清楚谷歌的(de)量子計算機究(jiu)竟(jing)是在執行什么任務。IBM研究(jiu)主管Dario Gil認為，一個(ge)可能是針對非常狹窄的(de)量子采(cai)樣問題設(she)計的(de)實驗，并不意味(wei)著這(zhe)些機器(qi)將(jiang)占(zhan)據主導地位。
他說：“實(shi)際上(shang)，量子計算機(ji)永遠不會比傳統計算機(ji)具(ju)(ju)有“至高(gao)無上(shang)”的地(di)位，但(dan)由于(yu)它們各(ge)有千秋，它們將(jiang)(jiang)與它們協同工作。”對于(yu)許多問題，古典計算機(ji)將(jiang)(jiang)仍(reng)然是使用的最佳工具(ju)(ju)。
結語：量子霸權論將至，但真正落地還很遙遠
如(ru)果谷歌的新量子計(ji)算(suan)機(ji)論(lun)文(wen)經過審(shen)議發(fa)表，這將是量子科學界(jie)非常值(zhi)得慶(qing)賀的一件事。
不過(guo)，量子計算機(ji)距離嚴格(ge)意義(yi)的大規模商用(yong)還(huan)為時尚早，科學(xue)進步從來都是漫(man)長的苦旅，要(yao)解(jie)決(jue)當前這些機(ji)器(qi)存在的易被破(po)壞(huai)、不穩定(ding)等(deng)工(gong)程化問(wen)題。要(yao)造出易構建(jian)、易管理(li)和擴展(zhan)的商用(yong)機(ji)器(qi)，還(huan)需研究人員們持之以(yi)恒(heng)地探索。
