谷歌真的实现了所谓“量子霸权”吗？

一、背景

据《金融时报》报道，Google 宣布其已经建造了第一台量子计算机，该计算机可以进行当今最强大超级计算机无法运行的计算。这篇自 Google 研究人员的一篇论文，本周早些时候发表在了美国国家航空航天局（NASA）网站上，但很快被删除。美国《财富》报道，一位熟悉 Google 的消息人士表示，论文的评审需要数周至数月的时间，NASA 只是不小心提早发布了。

论文中描述了一个特定的实验，基于量子现象的随机生成数字的抽样，研究人员表示，他们确信量子计算机在完成这项任务时远胜常规计算机，其涉及计算某些专用电路的输出。

这款量子计算机展现出来的算力优势相当恐怖，论文表示，这款计算机可以再 3 分 20 秒内完成计算，而目前世界排名第一的超级计算机“Summit”需要大约一万年的时间;在Google Cloud 服务器上执行相同的实验将花费 50 万亿小时，在量子处理器只需 30 秒。

这款量级计算机被命名为“Sycamore”，包括了 53 量子比特。2018 年，Google 就推出过一款包括 72 量子比特的通用量子计算机 Bristlecone，Google 认为它有实现量子霸权的能力。《Quanta Magazine》层报道，Google 的量子处理器在不到半年的时间内算力爆炸，复现的设备从笔记本升级到了服务器，谷歌量子人工智能实验室(Quantum Artificial Intelligence lab)主任 Hartmut Neven 在 5 月份提出，量子霸权会在 2019 年内实现。

二、量子计算机和传统计算机

对于传统的计算机而言，0或1构成了整个计算机世界，当我们发送一个比特的数据时，接收端要么接收0要么接收1。当发送两个比特的数据的时候，就会变成00，01，10，11，此时我们要穷尽所有可能的话，我们就需要发送四次。以此类推，当发送三个比特的数据时，就会需要发送2^3=8次，当发送n个比特的时候，就需要2^n次发送才能穷尽可能。

而对于光量子计算机而言，因为量子叠加的特性（也就是薛定谔那只同时处于生死状态的猫），一次数据发送可以将0和1都发送过去，当我们可以操纵一个光量子的时候，我们可以同时发送0和1,。当可以操作两个光量子时，我们一次发送的数据就可以变成00+01+10+11，仅需一次发送，就可以送出四种可能。而当光量子数为三时，就变成了同时发送2^3=8种可能。当有n个光量子的时候，一次发送能够发送的不同可能的信息就达到了2^n种。

三、量子计算和经典计算

量子计算机依靠量子力学的原理来进行计算，这些原理与经典物理理念截然不同，比如量子叠加（superposition）、量子纠缠（entanglement）、量子干涉（interference）等等。量子计算机利用量子叠加来存储信息。在经典的二进制计算机中，数据被存储成0或者1两种状态，类似于一个普通开关。而在量子计算机中，信息被存储成量子态，可以同时被记录为0或者1。

在量子计算中，我们依靠量子位（量子比特）将信息存储在量子计算机中。但是这些量子却很不“安分”，它们时刻想和自己周围的环境进行互动。但是，与环境的纠缠会导致存储在量子位中的信息丢失，因此我们希望这些量子保持在一种“真空”状态，与各种各样的噪声相隔绝。隔离系统有很多不同的方法，但是微软采取的方法具有更好的可拓展性。

四、量子计算机的机遇和挑战

跟所有新事物一样，量子计算带来的影响具有正负两面性。一方面，量子计算对机器学习有很重要的意义。量子算法可以加快深度神经网络、玻尔兹曼机（Boltzmann machine）或者感知器（perceptron）等的训练速度，更重要的是，量子计算机让我们有能力对大自然进行建模，可以实际模拟出大自然的运行方式，用来解决诸如清洁能源、粮食生产、气候变化等等问题。

但另一方面，量子计算也会在很多方面带来潜在的风险，比如密码学、安全学、隐私等。

五、量子计算机是否可以取代经典计算机

量子计算机并不会取代经典计算机，就像超级计算机一样，量子计算机只会被用来解决某一类特殊的问题。人工智能、机器学习、医学、健康、量子化学等问题才是量子计算机的用武之地，这些问题的解决需要经典计算机花费数十亿年的时间，而在量子计算机上，几周、几天、几小时甚至几秒钟，难题就能迎刃而解。

事实上，对量子计算的研究也反过来推动了经典计算的研究。例如，机器学习中的某些量子算法的思路同样可以运用到传统的机器学习中去，从而推动了传统算法的演进，这种类似的情况也经常出现在优化、理论计算科学中。通过研究量子计算和量子算法，我们对经典计算的了解也越来越深入。

六、总结

关于量子，最著名的就是“薛定谔的猫”，就像那只可怜的猫处在“死和生的叠加态”一样，量子计算机的“0 和 1”也可以处于叠加态，中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说，量子比特可以制备两个逻辑态 0 和 1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储 0 和 1。在理想状态下，50 个量子比特一次可以进行 2 的 50 次方次运算。

摩尔定律知道了计算机的发展。每隔 18 个月，集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的计算性能也提升一倍。但传统计算机的发展已经进入瓶颈，在纳尼的尺度上，摩尔定律放缓。

量子计算的出现，为算力的继续进化提供了可能。但长路漫漫，量子计算仍在发展阶段，

2017 年 1 0月，IBM在常规的超级计算机上成功模拟出了 56 个量子比特的量子计算机，2018 年 1 月，英特尔公司宣布成功研制了 49 量子比特的测试芯片，英特尔表示，量子计算距离解决工程规模的问题可能还要5到7年。而从商业角度看，量子计算可能需要 100 万甚至更多的量子比特才能有实用价值。

“量子霸权”的定义，就是这是一个不管有没有实际意义的认定任务，落地到具体的应用上的意义不大。

一些研究人员也警告不要过度夸大量子霸权，认为这并不意味着量子机器会迅速超越传统计算机并给计算带来一场革命。

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