當地時間10月23日，美國科技巨頭谷歌公司正式宣稱其實現了量子計算領域的重要里程碑——“量子霸權”。200秒內完成超級計算機一萬年的運算！
有趣的是，谷歌的主要競爭對手IBM很快就對此做出了回應。IBM表示，谷歌離實現“量子霸權”這一遠大目標還有十萬八千步，並呼籲業界都以懷疑的態度來對待這一“歷史性的宣言”。
量子霸權是指量子計算擁有的超越所有經典計算機的計算能力。
霸權，也叫量子優勢，即在未來的某個時刻，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。
比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智能、快速模擬分子模型。
之所以，谷歌和IBM 引發爭執，原因在於物理實驗上，迄今還沒有任何一臺量子裝置在實際實驗中展現出這種能力。
提及“霸權”一詞，眾人心中不免緊張。“霸權”二字按詞典解釋，意味著所處的操縱或控制其他國家的地位，例如霸權主義、軍事霸權等。在當今和平與穩定的歷史階段，由於經濟與科技具有壁壘效應，全球主要關注於經濟霸權、科技霸權。

首先，“量子霸權”是一個專業術語，不同於詞典中字面上的“霸權”的含義。
“量子霸權”是指量子計算機在某些方面的計算能力、計算速度超越了我們現在大規模使用的電子計算機。
簡單的說，量子計算機比電子計算機更有優勢，量子霸權了電子。
其次，谷歌的量子霸權意味著什麼？量子計算機已經在具體的應用上展現了計算超越的潛力，可以說是量子計算機發展的一次重要里程碑事件。
量子計算在一些高精尖的專業領域逐步進入了“可商用”計算時代。由於量子計算機採用了量子算法，計算機的構建使用超導技術，目前使用範圍較窄，距發展成為通用型計算機還比較遙遠。

再次，谷歌的量子霸權是否會催生科技霸權？
現階段還處於量子計算機的萌芽時期。量子計算機作為一種重要的科技戰略性技術，距離發揮生產作業還有較大距離。量子計算機主要應用於藥物研發、科學計算模擬、金融精算、密碼學、人工智能等領域。一旦量子計算機發展成為通用型計算機，將能快速推動科技生產力的發展，形成科技領先優勢。
提出這一假想的原因是，量子計算機的發展似乎遵循著“內文定律”，而經典計算機遵循著“摩爾定律”。

摩爾定律為大眾所熟知，即計算機芯片的晶體管密度每18個月翻一番，算力增強一倍，這是一種指數增長的規律。
但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經放緩甚至失效。
而來自谷歌量子人工智能實驗室的負責人Hartmut Neven認為，量子計算機的速度正在以雙指數的速度增長。
雙指數是指數之上再加一層指數，形式如下：
Neven認為，量子計算機比經典計算機存在著兩個指數優勢：
首先，量子位相比普通位具有效率優勢，如果一個量子電路具有4個量子位，那麼需要一個具有16個普通位的經典電路才能實現等效的計算能力。
其次，量子芯片也在快速改進。谷歌量子芯片正在以指數級的速度發展，這種快速的改善是由於量子電路中錯誤率的降低。而降低錯誤率能幫助我們構建更大的量子芯片。
雙指數的增長速度遠遠快於指數函數，因此谷歌認為雖然量子計算機速度現在遠不及經典計算機，但是總有一天會超過後者。

這可不僅僅是谷歌研究人員的自賣自誇，實際上谷歌實驗室也是按照雙指數規律的速度在推進著：去年12月，一臺筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計算機；到了今年1月，一臺功能強大的臺式機才可與之媲美；而到了今年2月，經典計算機的速度已經不能和量子計算機匹敵，無法再模擬後者了。
中國目前處於量子研究前沿
2018年7月，谷歌宣佈與NASA建立合作伙伴關係，計劃將量子計算機上運行的結果，與經典仿真進行比較，實現所謂的“量子霸權”，而且當時的谷歌預測在今年就可以實現。
雙方合作使用的量子芯片名字叫做Bristlecone，總共包含72個量子比特。由於Bristlecone需要將超導電路維持在絕對零度附近，因此無法將其從谷歌的實驗室搬走。NASA研究人員只能通過谷歌的雲API遠程連接Bristlecone。

雙方將共同研究如何將“各種各樣的優化和採樣問題”映射到Bristlecone量子計算系統上。
按照雙方的約定，今年年初，他們在NASA最強的超級計算機Pleiades上對運行這些仿真所必需的軟件進行編碼，並在合同簽訂後的12個月，即今年7月，比較量子電路仿真和谷歌量子計算機硬件的結果。
雖然谷歌和NASA持非常樂觀的態度，但業界也有人這個認為不可行！
阿里巴巴數據基礎設施和搜索技術部門的研究人員發表了一篇論文，認為要實現量子霸權可能需要錯誤率更低的量子芯片。
南加州大學量子信息科學與技術中心主任Daniel Lidar也對此表示懷疑。他接受麻省理工科技評論時說：“（實現量子霸權）似乎還需要其他方式抑制錯誤。”
如果這篇論文通過了同行評審，則意味著谷歌和NASA的flag沒有倒，而且量子計算將進入一個新的時代。
創造歷史
幾十年來，量子計算這個領域，都籠罩在一個強大的假設之下：
任何其他類型的計算機，能夠高效完成的計算，經典計算機也都能高效完成。
這個假設，來自“廣義邱奇-圖靈論題” (Extended Church Turing Thesis) 。
如今，谷歌的量子計算機用3分20秒完成的計算，交給全球排名第一的超級計算機Summit，大概需要1萬年。這就打破了人類曾經的猜想。
谷歌說：
這標誌了第一個只能用量子處理器執行的運算。在通往全面量子計算的路上，這是一個里程碑。量子機器的算力，將會以雙指數速度增長。
當然，這項前所未有的成就，不止是谷歌自家的狂歡。
為英國政府擔任量子技術顧問的Steve Brierley，已經在領域裡工作了20年，還是量子軟件初創公司Riverlane的創始人。
他強調說：
第一次有人證明，量子計算機的性能真的能超過經典計算機。這是個了不起的成就。
走到領域之外，美國民主黨的總統參選人楊安澤 (Andrew Yang) ，是這樣說的：
谷歌達成量子霸權是個大事。先不說別的，這至少意味著，沒有不能破解的代碼了。
他的這條推特，已經收穫了5100贊。
不久之後，楊還補充了一條：
我們的加密技術也得跟上啊。
這條推特，又獲得了3200贊。
下一步呢
量子霸權實現了，但故事並沒有結束。
在許多人的眼裡，量子霸權是一個人為設定的里程碑：只要在任何一項任務上，證明量子計算機超過經典計算機就可以了。
怎樣的任務都可以，也就不一定有現實意義。比如，谷歌給量子計算機的任務是：鑑定一個隨機數生成器，是不是真的隨機。
所以，一個里程碑之後，還有另一個里程碑要趕去。

實用性
IBM的量子計算戰略負責人Robert Sutor，提到了一個“量子優勢 (Quantum Advantage) ”概念，那是一個實用性的里程碑：
量子優勢，是在一個真實應用場景 (比如金融服務、AI、化學） ，量子計算機做出了比任何經典計算機要明顯優秀的工作。
作為谷歌的對手，IBM一直在探索量子計算的應用，與摩根大通、梅賽德斯奔馳都有這一方面的合作。最近他們還在線上對外開放了一臺53比特的通用量子計算機。
IBM說，量子霸權這個詞他們並不用，也不在意。
不過，谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家Fernando Brandão相信：
在達成量子霸權之前，量子計算機不可能做出什麼有意思的事。
現在，就算量子計算機做的任務還沒有實際意義，研究人員還是可以從中學到經驗，今後開發出更有用的量子計算機。
2019年，波士頓諮詢公司 (BCG) 發佈的報告說，量子計算機可以改變許多領域的遊戲規則：
比如密碼學和化學，對化學的影響會廣泛波及材料學，以及農業和製藥等等領域。人工智能，機器學習就更不用說了。另外，物流，製造，金融，能源……也都會出現新的應用。
這個未來，整個世界都在期待著。
容錯率
再下一個里程碑，就是造出一臺容錯的量子計算機。

這樣的計算機，能在一項計算當中實時糾正錯誤，原則上可以實現無錯的量子計算。
目前，主流的方法叫做“Surface Code”，每個執行計算的“邏輯”量子比特，都要有成千上萬個糾錯量子比特來支持。
這遠遠超出了當前量子計算的最強算力。
所以，量子計算到底需不需要容錯能力，也是值得討論的問題。
來自谷歌的Fernando Brandão說：
有許多思路可走，但沒有哪個方向是確定的。
One More Thing
不過，在走向未來之前，關於這項研究，還有一個直擊靈魂的問題：
如果說，超算要1萬年才能算好，怎麼才能知道量子計算機得出的結果是對的呢？

最後，我國量子計算發展形勢如何？
潘建偉院士是我國量子計算研發的領軍人物。在量子通信領域具有全球領先的核心技術。潘建偉曾經做過一次新量子革命和量子計算”主題演講，希望國內能實現50個量子比特的操作；未來十年能實現數百個量子比特的操作，在特定領域的計算能力達到目前全世界計算能力的100萬倍。

量子計算機屬於基礎科學研究，耗資巨大，成效短期難以顯現，儘管國內也有部分公司加入研究隊伍，但總體上投入到人力物力不大，與國外有非常大差距。量子計算機在國內的研發，主要還是依託各大科研院所通力合作才能完成！
量子計算的意義和作用！
量子計算技術不僅能克服現代半導體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應，還能利用量子效應實現功能強大的並行計算，極大地提高計算速度和信息處理能力。
規模化通用量子計算機的誕生將極大地滿足現代信息的需求，在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，甚至對國家的國際地位、經濟發展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發揮關鍵性作用。
（一）國家影響力
信息是當今世界最為重要的戰略資源，計算機技術是現代信息技術的核心，信息處理能力是信息時代的基本生產力，是國家的核心競爭力，體現國家綜合實力的重要標誌。二戰結束以來，美國一直佔據超級計算機研發的尖端，最初主要用於計算導彈彈道以及核武器模擬計算等軍事活動當中，後來逐步應用到科研、產品研發、金融等各個領域。
隨後，計算機和互聯網技術在美國迅速發展壯大，並在世界範圍內擴展和加速全球化進程，美國在此過程中積累了其強大的國際影響力。量子計算科技革命給了我國一個從經典信息技術時代的跟蹤者、模仿者轉變為未來信息技術的引領者的、不可錯過的偉大機遇。量子計算技術是一種顛覆性技術，關係到一個國家未來發展的基礎計算能力，一旦形成突破，會使掌握這種能力的國家迅速建立起全方位戰略優勢，引領量子信息時代的國際發展。
（二）經濟影響力
量子計算機能克服現代計算機發展所遇到的能耗和量子效應問題，從而擺脫半導體行業面臨的摩爾定律失效的困境，同時突破經典極限，利用量子加速、並行特性解決經典計算機難以處理的相關問題。
作為現代計算機的顛覆者，未來量子計算機會像經典計算機一樣形成龐大的技術產業鏈，在國民經濟生活中產生重大影響。其突破必將為信息和材料等科學技術的發展開闢廣闊的空間，成為後摩爾時代和後化石能源時代人類生活的技術依託。
量子計算機的研製必將帶動包括材料，信息，技術，能源等一大批產業的飛躍式發展。量子計算機強大的並行計算和模擬能力，將為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供瞭解決方案，從而為提高國家整體經濟競爭力創造條件。
量子計算與氣象預報
（三）科技影響力
過去 50 年以來，半導體及信息行業的技術發展經歷過數次突破，從處理器的運算速度到存儲器容量，再到網絡帶寬，每一次突破之後都能帶來巨大的社會進步。
目前，海量數據處理已成為急需攻克的壁壘。當前計算機處理海量數據的能力非常薄弱，傳統計算機已經遠遠無法滿足信息量爆炸式增長的需求，迫切需要從原理上突破超大信息容量和超快運算速度的瓶頸，而量子計算機正好能有效滿足這一需求。
量子計算機在科學研究領域具有廣泛應用前景。學術界認為，在量子計算機達到大規模應用的比特數之前，將首先用於對量子體系的模擬。量子計算機利用其特殊的量子力學原理，將為強關聯等物理學提供完美的檢驗平臺。同時量子計算對於生物製藥、機器學習、人工智能領域將產生深遠影響，並對提高國家科技影響力起到積極作用。
（四）軍事影響力
量子物理與計算科學第一次大規模結合的直接原因就是研製核心武器的需求。在計算技術的發展歷程中，軍事應用價值始終是其重要推動力之一。
量子計算機的強大功能應用到國防建設時，其強大的運算、搜索、處理能力，將為未來武器研發提供計算、模擬平臺，縮短研發週期，提高武器研發效率。還將在未來戰場上破譯加密密文，為及時高效準確的情報和戰況分析提供技術支撐，提升作戰能力，同時在戰場計劃、組織決策、後勤保障等方面發揮巨大作用，甚至有可能改變未來戰爭的形態，掌握其核心技術能夠極大地增強國防綜合實力。
量子物理與軍事
（五）國家信息安全
量子計算機最受關注的重要應用之一是破譯現代密碼體系。理論研究表明，目前使用的 RSA 公開密鑰體系在量子計算機面前將不堪一擊。構建於基於經典保密系統之上的安全體系將變得無秘可言。
此外，量子計算對於信息安全的威脅還具有前溯性，如果現在的通信網絡流量遭到竊聽並被存儲下來，未來潛在的對手利用量子計算能力，就能對這些通常加密的信息進行破解，從而在多年以後將威脅範圍追溯到當前。量子計算機的研製已經成為國際社會關注的焦點，其對國家安全體系的重大意義不言而喻。
量子計算機縱然有無比強大的顛覆性功能，然而通用量子計算機的研製過程是相當複雜的。研製量子計算機的關鍵在於量子比特的製備。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響。因此，量子計算機的核心部件通常處於比太空更加寒冷的密封極低溫環境中，防止受到其他環境因素的干擾。量子比特的製備方式存在多種方案，經過近二十年的發展，國際主流研究集中到了超導量子比特、半導體量子點、囚禁離子、鑽石空位和拓撲量子比特等。
由於量子計算對於國家安全及經濟發展的巨大影響，世界各國政府持續高強度資助量子計算機的研製。毫無疑問，美國在量子計算機研製上是國際最領先的，並且有著完整的佈局。
雖然量子計算研究的進展低於十年前的預期，但還是讓人們看到了突破可集成化量子計算機技術瓶頸的希望。特別當量子比特的保真度突破了容錯量子計算的閾值，使得一些基本量子算法得到演示。這些巨大的成就吸引了一些國際商業機構和政府部門的極大關注。
然而實用化量子計算機的研製是一個系統工程，既要以量子物理為基礎進行量子計算模型的原理性創新，又要從材料體系，結構工藝，系統構架和軟件控制等工程技術創新和積累，我國在現代工藝技術上的基礎薄弱，在核心電子器件、高端通用芯片、基礎軟件、極大規模集成電路製造裝備等長期落後，也導致我國量子計算的研究大都侷限於原理驗證性和演示性層面，缺乏系統深入的實驗平臺和以實用化量子計算機為目標的研究隊伍。
量子計算機的研製需要物理、材料、信息和計算機科學等多學科的緊密協調和結合，從而實現從大規模器件的製備向微電子工程方面邁進。
甚至有科學家預測:量子計算一旦實施，時間將會失去意義！
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