新浪科技訊 北京時間10月25日消息，10月23日，谷歌公司的研究人員在英國《自然》（Nature）雜志上發(fā)表論文稱，他們已成功演示了“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。所謂量子霸權(quán)，其實指的是量子計算機對經(jīng)典計算機的超越，其運算能力遠遠超過經(jīng)典計算機，可以解決經(jīng)典計算機在合理時間范圍內(nèi)不能解決的問題。

關(guān)于量子霸權(quán)的討論聽起來似乎有點耳熟。美國國家航空航天局（NASA）對這篇論文也有所貢獻。早在9月中旬，NASA就“無意”中將這項最新的量子計算研究發(fā)表在官網(wǎng)上，宣稱“量子霸權(quán)”已經(jīng)實現(xiàn)，然后又迅速將其撤下。雖然發(fā)表的時間并不長，但這篇論文已經(jīng)引起了網(wǎng)絡上一片震蕩。這并不奇怪，因為谷歌公司聲稱，他們的量子計算機可以在200秒內(nèi)完成超級計算機需要1萬年才能完成的事情，這樣的成果實在是太令人驚奇了。

　　Sycamore量子處理器的布局（a）和外觀（b），芯片中有54個量子比特，每個量子比特（灰色）通過耦合器（藍色）與最近的量子比特相連

超級計算機和量子計算機的關(guān)鍵區(qū)別在于它們存儲信息的方式。超級計算機和任何傳統(tǒng)計算機一樣，是二進制位的，處理的是1和0的問題；對于量子計算機，則涉及到量子比特的問題，可以假設0和1的任何排列。不過，這并不意味著量子比特可以像薛定諤的貓一樣，同時是兩個相互矛盾的東西——既是活的又是死的，或者既是0又是1。

正如理論計算機科學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）在他的博客中所說，量子比特是“此和彼的復雜線性組合”，或者說，是0和1的復雜線性組合?；蛟S最接近的類比應該是“可能是這樣，也可能是那樣”。阿倫森指出，簡單來說，你可以把量子計算機定義為一臺利用這種新型“可能性”的計算機。

為什么利用這種“可能性”就能賦予量子計算機所謂的“霸權(quán)”？德國法蘭克福高等研究院的理論物理學家薩賓·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）解釋道：“為了讓你了解量子計算機的能力，你可以想象一下：通過量子力學方程的數(shù)值解，在經(jīng)典計算機上模擬量子計算機。”

“如果你這么做，”她接著說，“那么經(jīng)典計算機的計算負擔就會隨著模擬的量子比特的數(shù)量呈指數(shù)增長。你可以在個人電腦上進行2或4個量子比特的計算，但如果是50個量子比特，你就需要一個超級計算機集群。任何超過50個左右量子比特的計算目前都難以實現(xiàn)，至少在任何合理的時間內(nèi)都無法計算。”

谷歌的量子計算機是一個名為“Sycamore”的紫色芯片。Sycamore的原意是梧桐樹，在論文中給出的芯片圖片上，可以看到一邊刻著“Google AI Quantum”，另一邊則刻著“Sycamore”和一棵梧桐樹的圖案。這個量子處理器被設計成使用54個超導transmon量子比特。由于其中一個量子比特不能正常工作，因此他們在實驗中使用了53個量子比特，在一個“偽隨機量子電路輸出的采樣任務”中將其計算速度與“最先進的超級計算機”進行了比較。研究人員表示，Sycamore的計算幾乎沒有結(jié)構(gòu)，這使它成為“基準測試的合適選擇”。與之相比，傳統(tǒng)計算機的運行速度就顯得相當緩慢。他們總結(jié)說，Sycamore的成功“預示著一個備受期待的計算范式即將到來”。

2012年，加州理工學院的理論物理學家、量子信息與物質(zhì)研究所所長約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出了“量子霸權(quán)”一詞，后來這成為一個劃時代的詞匯。普雷斯基爾的原意是用量子霸權(quán)來描述量子計算機發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點。他本月在《量子》（Quanta）雜志上寫道：“我想強調(diào)，現(xiàn)在是我們這個星球歷史上的一段特殊時期，基于量子物理學原理的信息技術(shù)方興未艾。”他似乎在說，谷歌的實驗結(jié)果后面還應該加上幾句注解。

“正如谷歌團隊所承認的那樣，他們的機器表現(xiàn)出驚人的計算速度，但所解決的問題經(jīng)過了精心挑選，目的只是為了展示量子計算機的優(yōu)越性，”普雷斯基爾補充道，“在其他方面，（量子計算）并沒有太大的實際意義。”霍森費爾德也有同樣的看法。她說，現(xiàn)在的量子計算機似乎還只是“科學家的新玩具”，因為“盡管隨機變量的產(chǎn)生可以用來檢查量子霸權(quán)，但并不足以計算出任何有用的結(jié)果。”

盡管如此，普雷斯基爾仍表示谷歌取得了探索量子計算機實用性的重要一步。他認為，為即將到來的“新時代”創(chuàng)造一個短語是很有必要的，這個短語就是NISQ（noisy intermediate-scale quantum），即“嘈雜中型量子”。其中的“嘈雜”（noisy）意思就是“不精確的”。對于量子比特，想要獲得無錯誤的計算結(jié)果仍然太難了——量子計算機運行的時間越長，它積累的錯誤就越多，計算結(jié)果就越不可靠。“中型”（Intermediate-scale）的意思則是，現(xiàn)在的量子計算機剛好可以做到谷歌所做的事情，即在某些任務中輕而易舉地擊敗超級計算機，展示量子計算的優(yōu)越性。但是，量子計算機太小了，最多只有幾百個量子比特，做不出任何有價值的事情。所以，如果想超越NISQ時代，還需要相當長的時間。

對于量子霸權(quán)，目前我們還沒有什么好激動的。“發(fā)明（NISQ）這個術(shù)語，實際上是想讓投資者相信量子計算將在未來幾十年產(chǎn)生實際應用，”霍森費爾德說，“NISQ的問題在于，雖然它們可能很快就能付諸實踐，但沒人知道如何利用它們計算出有用的結(jié)果。”也許永遠不會有人知道。“我現(xiàn)在很擔心量子計算會走上核聚變的老路，永遠充滿希望，但又永遠不會真正實現(xiàn)，”霍森費爾德補充道。

可以理解的是，谷歌的研究人員及其NASA合作者對這種不確定性給出了更積極的解釋。他們指出，現(xiàn)在的量子計算還處于“過渡”階段，從單純的學術(shù)研究，到成為開啟新型計算能力的關(guān)鍵，還有很長的路要走，“我們距離有價值的短期應用只有一步之遙”。誰又能知道，這一天會什么時候到來呢？