一提到量子你的第一反應是想到什麼？薛定諤的貓？近日，量子學領域又傳來了新的聲音。
一個多月前，美國科技巨頭谷歌（Google）的一份研究報告現身美國國家航空航天局（NASA）網站。儘管被火速撤下，但這篇報告拋出的一個重磅概念——“量子霸權（quantum supremacy）”，引發各大外媒熱議。
23日，谷歌的《使用可編程超導處理器達到的量子霸權》論文以封面重磅的形式在英國《自然》雜誌發表，表示已成功演示了“量子霸權”，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。
不過，谷歌更傾向於翻譯為“量子優越性”。雜誌網站還在頭版頭條放出了谷歌的“官宣”：你好，量子世界！我們實現了“里程碑式的量子優越性”。
在谷歌團隊看來，這是一個量子領域中“Hello World”一樣的里程碑事件。據《紐約時報》報道，谷歌CEO 桑達·皮猜（Sundar Pichai）
在接受採訪時激動地將谷歌的成就與萊特兄弟1903年的首次飛行相媲美。“這就像飛機最初被髮明的時刻-----萊特兄弟的飛機第一次只飛了12秒，但他證明了飛機飛行的可能性。”打破摩爾定律，量子計算肩負使命
2012年，美國加州理工學院理論物理學家約翰•普瑞斯基爾（John Preskill）提出了“量子霸權”這一概念，指量子計算機可以做到經典計算機實現不了的事。
此後，“量子霸權”長期以來被用於描述量子計算機發展的關鍵節點，指量子計算機能解決傳統計算機無法解決的複雜難題，也就是展現量子優越性。而這是量子計算機距離實際運用的關鍵一步。其中，一個常被當作量子霸權的重要指標是量子比特 (Qubit) 數量，有學者認為，大概 50 個量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。
論文指出，量子計算機的工作方式與傳統計算機有著根本上的不同。超級計算機和量子計算機的關鍵區別在於它們存儲信息的方式，超級計算機和任何傳統計算機一樣，是二進制位的，處理的是1和0的問題。傳統計算機每比特非0即1，
而在量子計算機中，量子比特可以以處於即是0又是1的量子疊加態，這使得量子計算機具備傳統計算機無法想象的超級算力。不過，這並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。理論上，當量子比特“不可避免地”連結在一起時，物理學家可以利用它們波狀量子態之間的干擾來進行計算。不通過這種方式，相關計算可能要花費數百萬年的時間。例如，一臺 10 量子位量子計算機可以一次處理 210 或 1024 個可能的輸入。
谷歌的量子計算機是一個名為“西克莫 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。
由於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採樣任務”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的計算幾乎沒有結構，這使它成為“基準測試的合適選擇”。與之相比，傳統計算機的運行速度就顯得相當緩慢。他們總結說，Sycamore的成功“
預示著一個備受期待的計算範式即將到來”。 谷歌的Sycamore量子芯片
具體來看，谷歌研製的Sycamore量子芯片包含54個量子比特，每個量子比特都由超導環組成。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，由於有1個量子比特無法有效工作，芯片實際只使用了53個量子比特。
Sycamore量子處理器的佈局
報告顯示，Sycamore所進行的運算，是要證明一個隨機數字生成器符合“隨機”的標準。即使是現存最先進的傳統超級計算機“頂點（Summit）”，對量子電路的一個實例取樣100萬次也要耗時1萬年，在團隊設計的一項對量子電路產生的隨機數字進行採樣的任務中，Sycamore僅用200秒便完成了運算。
熱議四起，IBM指控谷歌不實
不過，對於這一此前已被洩露的“壯舉”，美國老牌科技公司IBM表示不服。10月21日，IBM就在其官網發表博文稱，谷歌的“量子霸權”有缺陷，因為谷歌實際上是在沒有充分利用超級計算機的全部能力的情況下進行競爭的。
谷歌所謂“最先進的超級計算機大約需要1萬年”完成的任務，在一個傳統計算機系統上的理想模擬，只需要2.5天，而且保真度要高得多。這實際上還是對一個保守的、最壞情況的估計。谷歌在進行比較時，未能充分考慮“大量磁盤存儲”。他們認為“完成傳統計算機無法完成的工作”這一臨界值還沒有達到。
“按照‘量子霸權’的最嚴格定義，這一目標尚未實現。”IBM直言。
IBM博文截圖
博文還援引“量子霸權”提出者普瑞斯基爾最近的觀點稱，這個詞“加劇了對量子技術現狀的過度炒作”，並且“通過與‘白人至上（white supremacy）’的聯繫，喚起了一種令人厭惡的政治立場”。
IBM方面認為，“霸權”一詞正在被幾乎所有人誤解，類似“實現量子霸權”的“標題黨報道”會不可避免地誤導公眾。
“量子計算機永遠不會‘凌駕’於傳統計算機之上，而是與它們協同工作，因為兩者都有其獨特的優勢。”博文寫道。
目前，IBM用來反駁谷歌的論文尚未經過同行評議。《自然》網站報道稱，如果IBM是正確的，它將把谷歌的“壯舉”降級為 “量子優勢”，即量子計算機的計算速度比傳統計算機快得多，但沒有超出後者的能力範圍。
對此，桑達·皮猜在媒體上公開回應：“爭議的點在於量子計算機是否會像許多人所想的那樣取代經典計算機。這與人們之前慶祝AI上的進展類似，谷歌發表成果對我們的研究進行解釋並幫助人們更好地瞭解我們目前離通用型量子技術還有多遠。
五十年發展不易，理性對待科學
量子計算的研究興起於20世紀70年代，針對計算機的熱耗效應，Landauer認為只要消除計算過程中的不可逆操作，就不存在計算的能耗下限，於是人們提出不可逆計算機的概念。Benoiff最先提出了一個基於量子力學的可逆計算機模型。
1982年，Feynman指出，量子計算機可以用來模擬量子多體系統的演化，而這一任務是經典計算機做不到的。1985年，Deutsch建立了量子圖靈機的模型。
1994年，Shor提出一種量子算法，可以解決多項式時間內的大數因子分解問題。大數因子分解問題的難解性是目前廣泛使用的公鑰密碼體系安全性的依據。如果採用經典計算機求解，目前所知的最佳算法是一個隨著問題的規模計算步驟呈指數增長的算法。Shor算法的發現意味著，只要量子計算機一旦建成，現存的公鑰密碼體系將土崩瓦解。
1995年，Schumacher第一次提出了量子比特信息學上的概念，並創造了“量子比特”（qubit）的說法。
1997年，第一個基於量子計算機的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術就運用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特數量在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室手中增加到了7個。
2001年，IBM利用核磁共振技術激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運行了上兆次之後，終於成功地將15質數分解為3×5，量子計算機第一次將使得量子計算變成了現實——整整10年之後，中國的科學家利用4個量子比特實現了分解143。
2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個量子比特，到了2010年，人們已經可以在粒子阱中製造出14個處於糾纏態的量子比特。
此後，量子計算變的可應用， 在應用方面，2011年D-Wave推出了運行128位的一體量子計算機D-WaveOne，這被認為是世界上第一臺商用化的量子計算機系統。2012年，D-Wave推出了512位量子計算機D-WaveTwo。2015年,D-Wave發佈了基於chimeragraph架構的新一代1152位量子計算機系統D-Wave2X。
此次，谷歌取得的成果非常激動人心，但其他研究者提醒道，不要過分炒作這一結果，以防期望過高、泡沫破裂。
量子計算結合了過去半個世紀以來兩個最大的技術變革：信息技術和量子力學。如果我們使用量子力學的規則替換二進制邏輯來計算，某些難以攻克的計算任務將得到解決。
量子計算的概念正在激勵新一代物理學家、工程師和計算機科學家，從根本上改變信息技術的格局。谷歌的此次研究，是科技的進步，也是人類的進步。
參考文章
谷歌博客：
https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
《最前線｜谷歌宣稱實現“量子霸權”：意義堪比萊特兄弟的第一次飛行》：來源36氪，淡忠奎
《谷歌聲稱實現“量子霸權” IBM發文質疑》：來源觀察者網，谷智軒
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