量子霸权之争

​这一个月以来，量子计算机领域吸引了许多人的关注，因为关于谷歌已经实现了人们期待已久的里程碑——“

量子霸权”（也被称为”量子优越性“）的消息不胫而走。“量子霸权”是加州理工学院的理论物理学家John Preskill在2012年提出的一个词，他想用它来描述当量子计算机最终超越最先进的超级计算机的时刻。

而在刚发表于《自然》杂志的论文中，谷歌正式宣布他们在量子计算上实现了这一壮举。他们的结果表明：量子计算机已经达到了可以执行任何经典计算机都无法与之匹敌的计算任务的地步。这意味着与经典计算机相比，量子计算机在执行某些任务方面具有固有的优势。

是的，量子计算机并非在任何方面都快于经典计算机。我们知道，量子计算机擅长分解大的数字、模拟如复杂分子一类的物理系统。但在多数情况下，它们并不具有什么明显优势。目前为止，研究人员仍在探究量子计算究竟可以加速哪些类型的计算，以及加速多少。

○ 谷歌宣布他们研制的量子计算机（左）已经实现了量子霸权，这意味着在一些特定的任务上它可以超越世界上最快的超级计算机——IBM的Summit（右边）。但IBM并不同意这一说法。| 图片来源：Google/OLCF

然而对于谷歌的声明，它在量子计算方面最主要的竞争对手IBM却发表了质疑。IBM认为，谷歌并没有突破量子霸权这一关卡。在周一发布的一篇论文中，IBM提供了证据证明——世界上最强大的超级计算机几乎可以与谷歌的量子计算机齐头并进。

那么，为什么会出现这种混乱的局面呢？难道这样重大的里程碑式突破不应该是伟大而明晰的成就吗？然而事实是，谈到量子霸权，它涉及到许多微妙之处，这远比一个“科学革命”的热门头条要复杂得多。

量子计算机已经发展了几十年了，经典计算机在计算时使用的是比特，也就是只有1和0两种状态；而量子计算机用来编码信息的是量子比特（又称为量子位），它能够同时处于多种状态。

量子比特的行为遵循着量子力学中的那些奇异规则。量子计算机的目标便是利用这些特性来进行远超出任何普通计算机能力的计算。但多年来，量子计算机的计算能力一直难以与普通计算器媲美。

对于Preskill所提出的“量子霸权”一词，从事相关领域的专家对它的意义持有不同的看法。这就是为什么谷歌宣称它已经取得了量子霸权，而IBM说它还没有。

在解释量子霸权意味着什么之前，我们有必要先说明，量子霸权不意味着量子计算机可以执行经典计算机不可能完成的计算的时刻。这是因为，理论上说，只要有足够多的时间，经典计算机最终都可以执行量子计算机可执行的任何计算。

相反，大多数专家将量子霸权解释为量子计算机执行了一个在所有实际用途上看，经典计算机都无法与之比拟的计算的时刻。这正是谷歌和IBM之间分歧的症结所在，因为“实用”是一个模糊的概念。

在《自然》杂志上的那篇论文中，谷歌声称他们的Sycamore处理器用200秒的时间，完成了一项世界上最好的超级计算机需要1万年才能做到的计算，而这台世界上最好的超级计算机恰好是IBM的Summit。1万年并非一个实际的时间范围。但IBM现在认为，占地面积相当于两个篮球场大的Summit可以在2.5天内完成计算。

谷歌坚持认为他们做出的1万年的估计是正确的，不过一些业内的的计算机专家认为IBM给出的时间可能是正确的。

如果假设IBM是对的，那么2.5天是一个现实的时间量吗？也许它适用于某些任务，但肯定不适用于其他任务。因此，当计算机科学家谈论量子霸权时，他们通常会有一个更精确的想法。

计算机科学家会区分在“快”的多项式时间和“慢”的指数时间内运行的程序。即使让快速的程序处理一个非常大的数字，它仍能保持快速。当需要解决的问题变得更大时，运行缓慢的程序会以指数级的折损速度。

在新的论文中，谷歌演示了他们使用53个量子比特的量子计算机在快速多项式时间内执行某种特定的计算（称为“随机量子线路采样”）。与此同时，没有证据表明任何传统的经典计算机可以在比慢指数时间内更好地执行相同的任务，而这比前文提到的时间范围要重要得多，无论是2.5天还是1万年。

芝加哥大学的William Fefferman说：“实际的时间估计并没有很重要，我不认为（IBM的论文）会使谷歌提出的任何核心主张失效，除了1万年的估算之外。”

重要的是，谷歌采用了完全有别于经典计算机的方式来解决计算问题。这一差别意味着，每当它的量子计算机哪怕只是增加了一个量子比特，经典计算机的体积就必须翻倍才能跟上它的速度。当量子计算机实现70个量子比特时——这是在未来几年内就可能发生的事——一个经典的超级计算机就需要占据一个城市的面积才能跟上。

有人说，在谷歌宣布实现量子霸权之后，经典计算机和量子计算机之间的关系就像20世纪90年代的国际象棋冠军卡斯帕罗夫和IBM的“深蓝”超级计算机之间的关系。卡斯帕罗夫可以僵持一段时间，但很明显，他很快就会无可挽回地被他的算法对手超越。

https://www.quantamagazine.org/google-and-ibm-clash-over-quantum-supremacy-claim-20191023/

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/