“量子霸權”是什么霸權？

古月一刀

2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”處理器圖片。該處理器利用量子疊加和量子糾纏使計算空間指數級增長

“1萬年的工作，200秒就被做完”是什么概念？

這就好比，人類社會2000多年公元史，抽根煙的功夫就過去了。擱在過去，如果有人公開這樣說，可能會被當成瘋子。

然而，就在2019年10月，真的有人公開這樣說了，而且他還來自有“最偉大公司”之稱的谷歌。

不出所料，業界引起了一波“強震”。有人拍手叫好，感嘆科技革命來了。有人心生疑惑，質疑是否噱頭。但不可否認的是，谷歌人的這波操作，把有關計算機的未來形態方面的討論，大大方方地擺在了人們的面前。

量子計算

谷歌人是在《自然》雜志上發起這一討論的。

10月23日，谷歌的工程師發表了一篇論文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》，表示開發的53位量子計算機Sycamore，在200秒內完成了Summit（世界上最快超級計算機）需要花1萬年時間才能搞定的特定問題計算。谷歌聲稱，通過這臺量子計算機實現了量子霸權（Quantum Supremacy）。

量子計算機至少需要49個量子比特，才能達成“霸權”目標。

等等，這段話的信息量有點多，我們來梳理一下。

先從常見的超級計算機開始。簡單來說，相比于我們使用的個人計算機，超級計算機就是能執行一般個人電腦所無法處理的運算的計算機。

中國也曾研發出世界第一的超級計算機“神威·太湖之光”，但之后接連被美國的Sierra和Summit超越。在超算領域，中美日歐是頭部玩家;超算500強中，中國占了四成，美國占了兩成。

下一個問題，被稱為“次世代計算機”的量子計算機是什么？

谷歌CEO桑達爾·皮查伊在美國加州圣芭芭拉實驗室的一臺谷歌量子計算機旁

首先我們要明確的一點是，無論是經典計算機還是量子計算機，都是用0和1二進制序列保存數據的。在經典計算機中，0和1由不同的電壓實現，0代表低電壓信號，1代表高電壓信號，二進制序列由一個高低電壓交錯的脈沖實現。

在經典世界中，我們只能同時擁有一個狀態。如果擁有了001態，我們就不能同時擁有010態。但在量子世界中，我們可以得到疊加態。與經典算法不同，量子算法不用傳統的單線程計算，而可以并行計算。這就使得量子計算的效率大大提高了。

量子計算機，簡單地說，它是一種可以實現量子計算的機器。并行計算是量子計算機實現算力突破的最大武器。1982年，由美國著名物理學家理查德·費曼提出的利用量子體系實現通用計算的新奇想法，在計算機的發展中不斷得以驗證。

看似爆炸性的新聞背后，實際上是人類長期在計算機領域不惜成本投入與研發的結果，直到今天谷歌公司真正實現算力突破，時光已經走過了37年。這不是一個短暫的時段，也不是一家公司的豐功偉績，谷歌只是站在無數巨人的肩上，未來也同樣會成為其他人的墊腳石。

最后來談談量子霸權。霸權聽上去很唬人，其實也沒有那么可怕，比如把Supremacy翻譯成“優勢”的時候。

它主要是指，在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經典計算機幾乎不可能完成的任務，比如美國民主黨的總統參選人楊安澤所說的破解密碼—一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼，等等。

巨頭發難

一般觀點認為，量子計算機至少需要49個量子比特，才能達成“霸權”目標。

而這次谷歌的Sycamore由54個transmon量子比特的二維陣列組成。為了完全控制這個量子處理器，谷歌還精心設計了277個數模轉換器。

Sycamore使用鋁制造，芯片被引線連接到超導電路板上，并在稀釋制冷裝置中被冷卻至20mK以下。這一溫度只比絕對零度高2%度，之所以溫度要這么低，是為了將環境熱能降到大大低于量子勢能的程度，防止外界熱量干擾量子處理器。

竊聽量子密鑰會造成量子態潰縮，從而使加密密鑰無法傳輸。

谷歌在《自然》雜志上這樣說：“我們使用具有53個超導量子比特的可編程處理器，占用狀態空間為2^53≈10^16。”

53個量子比特擁有什么樣的算力？據悉其一共可以模擬1016種狀態，這是個早已超出當今超級計算機運算能力的數字。

如此令人吃驚的成就被公之于眾，歡呼之后，接下來更多要接受公眾的打量與審視。

美國斯坦福大學量子物理學家帕特里克·海登坦言，谷歌的量子比特處理器可能具有很強的計算能力，以至于傳統方法無法模擬。但這場實驗給出的答案，在傳統機器上是無法驗證的，所以我們很難確定谷歌的設備是否做得正確。

“當然，谷歌量子計算研究團隊是一群嚴肅的科學家，他們會盡其所能來確定這一點?！焙５茄a充道。

學者們的發言還算是客氣的，相較之下，谷歌在量子領域的主要對手IBM則“火力全開”了。

IBM方面迅速寫了一篇論文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》，表示在超級計算機上僅需兩天半，就能完成谷歌在論文中所謂的1萬年才能完成的計算。在未來，傳統計算機和量子計算機應該是各有任務，而不是前者被“吊打出局”。

IBM這篇火速反擊的論文，結果只是估算出來的，并未有實際的測試，所以力度稍弱。退一步來說，就算超級計算機只需兩天半，量子超算200秒的運算速度也是領先幾個身位的存在。

當然，“1萬年對200秒”的對比實在是太過吸睛，IBM領頭后，一些業內人士也開始發聲質疑谷歌。對此，谷歌首席執行官桑德爾·皮查伊表現得“云淡風輕”。他說：“首架飛機僅僅飛行了12秒鐘，所以沒有實際的應用價值。但這顯示出飛機是可以飛的?！?p>

世界上最快的超級計算機Summit

作為行業內的競爭者，兩大巨頭的爭議孰是孰非，缺乏專業知識背景的一般讀者可能難以評判。但是拋開技術爭議，量子計算相較于傳統計算所具有的顛覆性和革命意義，展示出人類突破計算處理極限的令人振奮的前景，這一點沒有人否認。

從這個意義上講，谷歌的一小步，配得上“人類的一大步”。

“矛”“盾”之爭

超算領域，中美兩強爭霸，一個最多，一個最快，可謂是針鋒相對，旗鼓相當。到了量子計算領域，美國取得了巨大突破，中國呢？

有人說，中國的突破更加實用，不信你看看民間“量子波動速讀”“量子治痛經”“量子水杯”……發展得多么如火如荼啊。

“量子速讀”騙局的曝光時間點，恰好撞上了谷歌的突破，這一點不免讓國人尷尬自嘲。但說實話，我們也不必太過在意。如同當年橫空出世的“納米”概念一樣，當時中國市場也出現了無數“納米”保健產品。并非中國量子科研領域不強，這只是騙子們改頭換面，再次借了一個流行概念行騙罷了。只要消費者平時多讀新聞，自然不會被收“智商稅”。

中國研發的超級計算機“神威·太湖之光”

在谷歌人的量子計算機論文發表之前，中國的量子科學一直在穩步前行。一方面，量子技術在理論上是被證實的，業界預言它會在經濟、軍事、科研、安全等領域建立全方位的科技優勢。但另一方面，總有一些不懷好意的人打著科研的旗號，在市場渾水摸魚，騙取國家經費。這樣的事件，在中國發生的已不在少數。

對于這種前瞻性強、同時實用性有部分爭議的技術，中國應用得非常謹慎。

如今的量子領域，在量子計算機方面，美國處于領跑狀態是毋庸置疑的。早在兩年前，IBM就發布了50比特量子計算機樣機。隨后的2018年，英特爾發布49比特量子芯片，谷歌推出了一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone。

但在量子通訊方面，中國則不甘落后。量子通訊的理論基石是“量子退相干”理論，具體可以解釋為：竊聽量子密鑰會造成量子態潰縮，從而使加密密鑰無法傳輸，那么加密方就能發現有第三者窺探，可立即終止信號傳輸。

2016年，中國研制的世界首顆量子實驗衛星“墨子號”成功發射，并首次成功實現千公里級的星地雙向量子通信。這項技術據稱領先國際相關技術水平至少5年。當下，中國量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二。

有人這樣評價，量子計算領域比較有“進攻性”，如同一支矛。而量子通訊更貼近防守，像一面盾。中美兩國現在的科研情況，如同“矛”“盾”，各有進攻和防守。

但在“算力即權力”的信息社會，誰的計算能力更強，誰就會掌握量子霸權，主導未來社會的發展方向。從這個層面看，在中美頻繁交鋒的歷史節點，這是一場誰都不愿輸掉的比賽。

國內的話，中國科技大學在量子領域的積累最為深厚。中國科學技術大學超導量子計算研究員黃浩亮日前受訪表示，量子計算在中國起步較晚，現在仍在努力趕超美國。但在明年年底，致力于50位量子計算技術的中國研究人員有望觸及“量子霸權”。

量子科學，也被稱為和平時代的“核力量”，在一個“算力為王”的互聯網時代，量子計算技術一旦獲突破，掌握這種能力的國家，會在經濟、軍事、科研、安全等領域崛起成為超級強國。在這種力量的威懾下，現在的銀行安全體系、互聯網賬號體系、各種加密通訊都形同虛設。

畢竟，沒有密碼可以經得住“1萬年運算”的考驗。