爭議量子霸權

王雨菲

2019年有兩件事，把量子計算推向了人們關注的焦點。

一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會（下稱CES）上，展出了最新的量子計算機模型，把這項科技成果引入大眾視線;另一個，則是谷歌在《自然》雜志上發(fā)文，宣告“量子霸權”，還因此引發(fā)了一系列口水戰(zhàn)。

量子計算風頭正勁

2019年1月9日，IBM的最新量子計算機被封在2.3米高的玻璃展示柜中展示，不少媒體稱其看起來像一件精致的藝術品。當時，IBM宣稱這臺藝術品一般的Q System One量子計算機，是“世界上第一個為科學和商業(yè)用途而設計的，完全集成的通用量子計算系統(tǒng)”。

其實所謂“商用”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心里的量子計算系統(tǒng)，做到了能夠一體化交付的狀態(tài)。但因其運行條件苛刻、冷卻設備復雜，以及實用性缺乏等限制，它離真正意義上的商用還相去甚遠。

谷歌宣告“量子霸權”更受矚目。2019年10月23日，英國《自然》雜志上，谷歌發(fā)表了一篇標題為《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，向世人宣告谷歌突破性成果，助其率先實現了量子霸權。

論文提到，谷歌團隊研發(fā)出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為“Sycamore”（譯為：西克莫）。在團隊設計的專屬任務——對量子電路產生的隨機數字進行采樣的測試中，Sycamore約200秒的時間內從量子電路中采集了100萬個樣本（測試中有一個量子比特無法有效工作，實際只用了53個量子比特）。而據谷歌稱，這一任務由一臺尖端的超級計算機來完成需要約1萬年。

“量子霸權”了嗎？

量子計算到底是什么？

針對這個問題，上海交通大學集成量子信息技術研究中心主任金賢敏教授接受《中國經濟周刊》采訪時介紹稱，量子計算機的思想可以追溯到20世紀80年代初。1981年，著名物理學家、諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼在麻省理工學院發(fā)表題為“Simulating Physics with Computers”（用計算機模擬物理）的演講，提出了利用量子特性來模擬物質世界中的實際問題，從而實現并行高效計算求解的設想。

金賢敏教授解釋道，“量子”不是一個具體的粒子，而是泛指各種滿足量子力學規(guī)律的體系。經典計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0和1的區(qū)分，量子計算機的量子比特則通過量子的兩態(tài)體系來表示0或1。與經典計算機中比特非0即1不同，量子比特是量子態(tài)疊加，它可以同時既是0又是1。它天然的并行性，對于很多計算任務可以實現加速效果。

量子霸權又是什么？

“量子霸權”（Quantum Supremacy）一詞，最早由美國理論物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）創(chuàng)造。2012年，他在《Quanta》 （量子）雜志中將“量子霸權”定義為：當量子計算機做到了經典計算機做不到的事情時的關鍵節(jié)點，無論所做的任務是否有實際意義。

約翰·普雷斯基爾認為，按照谷歌論文中的說法，已滿足了他當初表達的“量子霸權”狀態(tài)。只是這個詞本身，一方面由于“霸權”所帶有的政治色彩歧義而被誤解;另一方面加劇了對于量子技術發(fā)展現狀的過度炒作。

金賢敏也認為，谷歌論文中的成果符合“量子霸權”的定義，是人類計算能力發(fā)展史上可圈可點的里程碑。但是，目前用來演示所謂“量子霸權”的代表性任務，只是以一種非常特殊的方式解決了一個非常具體的問題，金賢敏強調，“相比只是展示隨機電路采樣這樣一個特定的優(yōu)勢算法，如何拓展挖掘更多更全面的實用量子加速算法更加具有廣泛和實際意義。”

無獨有偶，英特爾研究院院長理查德·烏利格（Richard Uhlig）也曾表示：“我認為量子計算真正的目標不是達成量子霸權，而是實現量子實用性。”

你可能不知道的中國量子計算

量子計算吸引著全球的科技巨頭，各國都看好量子計算的潛力。我國的科研人員和企業(yè)自然不會例外，近年來在多個技術路徑上探索。

2016年印發(fā)的“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創(chuàng)新2030——重大項目”中;2017年“十三五”國家基礎研究專項規(guī)劃中，量子通信與量子計算機被列為“事關我國未來發(fā)展的重大科技戰(zhàn)略任務”的首位。

此外，2020年計劃開放安徽省合肥市量子信息科學國家實驗室，這將是世界上最大的量子研究機構。從我國量子計算研究領域現狀來看，金賢敏稱，中國是量子計算的重要玩家，有多個研究團隊與國外頂尖團隊實力相近。

最新消息顯示，2019年年底，潘建偉等與德國、荷蘭的科學家合作，首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，這是國際上最前沿的紀錄。金賢敏補充道，發(fā)展光量子芯片技術，可以通過芯片上構建幾百甚至幾千的模式數來拓展量子計算資源，同樣可以在諸如玻色采樣等任務中演示所謂“量子霸權”，或者我們國內更常說的“量子優(yōu)越性”。

借鑒國外“產學研用”的合作方式，國內首個量子計算產業(yè)聯盟于2019年12月12日正式成立。聯盟主導者是我國第一家以量子計算機為主營業(yè)務的初創(chuàng)型公司本源量子。據本源量子副總裁張輝介紹，聯盟伙伴囊括高校、研究機構;應用面或是產業(yè)鏈上的企業(yè)，如人工智能、生物醫(yī)藥、區(qū)塊鏈、低溫制冷等領域;以及量子計算方向的同行。

我國幾大科技公司近年來同樣先后布局了量子計算。阿里巴巴達摩院量子實驗室發(fā)布了量子計算云平臺，并推出了量子模擬器“太章”;百度研究院量子計算研究所開展量子計算軟件和信息技術應用業(yè)務研究;騰訊量子實驗室在量子AI、藥物研發(fā)等領域展開研究;華為也推出了HIQ量子云平臺和“昆侖”量子計算模擬一體機。

大勢所趨 未來將來

阿里達摩院發(fā)布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。阿里達摩院認為，目前量子計算正處于從實驗室走進實際應用的轉變之中。2020年量子計算將蓬勃發(fā)展，主要特點是技術上攻堅和產業(yè)化的加速階段。

技術方面，谷歌在硬件上的進展大大增強了行業(yè)對超導路線的樂觀預期，也對其他如光量子、離子阱等硬件路線造成嚴峻壓力。阿里達摩院預測，2020年多個追趕者“或做出令人欽佩的復制性結果，或陷入高度復雜的工程噩夢”。

作為兩個最關鍵的技術里程碑，容錯量子計算和演示實用量子優(yōu)勢將是量子計算實用化的轉折點。

容錯量子計算是指通過量子糾錯，避免硬件錯誤的累積。量子計算初創(chuàng)公司Xanadu把量子計算的應用前景歸納為量子優(yōu)化、量子機器學習、量子化學和量子金融四方面。具體可以用來解決物流供應鏈最優(yōu)路線、快捷準確醫(yī)療診斷、優(yōu)化互聯網搜索、量子人工智能、藥物與新材料發(fā)現、高效風險分析和投資決策金融服務等實際問題。

就在不久前的2020年CES展臺上，福特展示了其智能汽車服務的宏偉愿景。通過與微軟合作，采用量子計算啟發(fā)的算法，模擬在20秒內，將統(tǒng)籌優(yōu)化的路線建議傳遞給每輛車，從而實現整體擁堵減少73%。

產業(yè)和生態(tài)方面，政府、企業(yè)和學術機構的規(guī)劃和投入將升級、擴大。僅從2019年的公開信息就能看出，美國、印度、德國、韓國、澳大利亞、加拿大等國家先后投入上億元人民幣，支持本國量子計算領域研究和開發(fā)。我國的量子信息科學國家實驗室也將于2020年迅速發(fā)展壯大。

責編：陳棟棟? chendongdong@ceweekly.cn

美編：孫珍蘭