2019 年 10 月 23 日，Nature 正式刊登了 Google 關於“實現量子優越性”的論文——《使用可編程超導處理器的量子優勢》。這篇論文曾在一個月前被洩漏，隨後又被秒刪。
“量子霸權”是指量子計算機可以完成經典計算機無法做到的事情。這個概念最早由加州理工學院理論物理教授 John Preskill 在 2012 年提出。
Google 的論文中描述，他們製造出了 53 個量子比特數的量子計算機，計算能力超經典超級計算機。同樣的計算量，量子計算機用 200 秒就完成了目前最強的經典超級計算機需要 10000 年才能完成的計算量。關鍵原因就是是量子並行計算。
量子計算機
解釋量子並行計算，要從量子的屬性說起。“量子”不是具體指某一種粒子，而是量子世界中物質客體的總稱，可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是宏觀尺度下的量子系統。
在我們的日常經驗中，宏觀世界物體的物理量和狀態在某個時刻總是確定的。比如，一個燈泡要麼是開的，要麼是關的，不可能是即開著又關著的。
但在量子世界裡，“即開著又關著的燈泡”是存在的，因為量子具有疊加態。量子疊加是指，一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。簡言之，就是兩種狀態疊加在一起。
除了疊加態，量子還有另一個重要的特性——量子糾纏。量子糾纏是指，兩個粒子即使相隔數光年之遙，也能夠具有相互聯繫的特性。
首張量子糾纏的圖片
1981 年，美國物理學家查德·費曼提出，原則上，人們可以設計一種計算機，該計算機通過量子力學特性來工作，模擬量子系統並採用量子方程得到解。由於量子系統具有天然的並行處理能力，用它所實現的計算機很可能會遠遠超越經典計算機。
經典計算機的信息單位是比特，一般用 “0” 和 “1” 來表示。一個比特，要麼是“0”，要麼是“1”。量子計算機的信息單位是“量子比特”。上面說到，量子具有疊加態的特性，因此量子比特可以同時處於“0”和“1”的狀態。
有人做過一個比喻：經典比特是 “開關”，只有開和關兩個狀態（0 和 1），而量子比特是 “旋鈕”，就像收音機上調頻的旋鈕那樣，有無窮多個狀態。經典計算機通過操縱經典比特進行運算，而量子計算機是操縱量子比特，本質上就是去旋轉它們。
圖片來自於本源量子
由於這種疊加的特性，讓量子計算機可以具備了強大的並行計算能力。在設計量子計算機時，通常會利用量子糾纏的特性，讓一個粒子和其他粒子糾纏，進一步提升並行計算能力。簡言之，利用量子疊加和量子糾纏可使計算能力指數級增長。
製造量子計算機不是件容易的事。由於量子比特的量子態非常脆弱，打造量子計算機主要困難之一是保持量子態超低溫度。“噪音”的最輕微振動或溫度擾動的變化，都可能導致粒子在工作正常完成之前就發生量子行為的衰減，這被稱為“退相干（Decoherence）”現象。
因此量子計算機必須在極度低溫條件下工作，以盡力保護量子比特不受外界環境影響。其次，因為量子比特的不穩定性，量子計算的精度也存在問題，保真度不高。
不少研究人員都認為，Google 的成果推動量子計算往前走了一大步，但大家都很清楚，量子計算的應用還是非常有限。
目前，經典計算機仍然是解決大多數問題最簡單、最經濟的解決方案。而量子計算機適用於材料科學、藥物研究和密碼學等領域，有公司已經在試驗將其應用於汽車行業和製藥業。此外，機器學習裡核心的優化過程與量子計算是天作之合，Google 花這麼大力氣研發量子計算機也就不奇怪了。
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