研究人員已經接近於製造出能夠完成傳統計算機無法完成的任務的量子計算機。這就是里程碑的意義。
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量子計算機永遠不會完全取代“經典”計算機，比如你正在讀這篇文章的設備。他們不會運行網絡瀏覽器來幫你繳稅或者從Netflix上傳最新視頻。
他們將要做的——至少他們已經期待了很長一段時間——將提供一種根本不同的方式來執行一些計算。他們將能夠解決需要數十億年快速、經典計算機才能執行的問題。它們將使模擬複雜的量子系統（如生物分子）成為可能，或提供一種方法，通過分解難以置信的大量數據來打破長期存在的加密形式。
量子計算機從有趣的研究項目轉移到經典計算機做不到的事情的門檻叫做“量子至上”。許多人認為谷歌的量子計算項目將在今年晚些時候實施。鑑於這一事件，我們為量子計算中的好奇心創建了這個指南。它為你提供了你需要理解的信息，也就是說，量子至上的意義以及它是否真的實現了。
什麼是量子霸權？為什麼它如此重要？
為了實現量子霸權，量子計算機必須進行任何計算，但從實際應用來看，經典計算機是做不到的。
在某種意義上，里程碑是人為的。測試量子霸權的任務是精心設計的——更多的是一項技能，而不是一項有用的開發（稍後）。因此，並非所有建造量子計算機的認真努力都致力於量子霸權。”負責IBM量子計算戰略的高管羅伯特•薩託（Robert Sutor）說：“量子至上，我們根本不用它。”我們根本不在乎。”
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但在其他方面，量子優勢將是計算史上的一個分水嶺。在最基本的層面上，它可能會導致量子計算機實際上對一些實際問題有用。
這一觀點有歷史依據。上世紀90年代，第一批量子算法解決了一個沒人真正關心的問題。但是，設計它們的計算機科學家已經學到了一些可應用於後續算法的開發知識（如用於分解大量數據的Shor算法），這些實踐具有重大的現實意義。
“我認為如果社區不首先解決‘量子計算機原則上擅長什麼？’問題是，這些算法將不存在。芝加哥大學量子信息科學家比爾·費弗曼（Bill fefferman）說：“現在不必擔心使用價值。”。
量子計算界希望這個過程現在可以重複。通過建造一臺可以打敗傳統計算機的量子計算機，研究人員可以學到一些東西，即使是在解決一個無用的問題時
這將使他們以後能夠建造更廣泛使用的量子計算機。
加州理工學院的理論物理學家、谷歌研究員費爾南多·布蘭登說：“在至高無上之前，量子計算機幾乎不可能做任何有趣的事情。”
此外，量子理論將是計算機理論科學領域的一次大地震。幾十年來，這個領域一直在一個被稱為“擴展的教堂圖靈文件”的假設下運行，該假設認為，經典計算機可以有效地執行任何其他類型的計算，這些計算可以有效地執行。
量子霸權將是第一次違反這一原則的實驗，因此它將把計算機科學帶入一個新的世界。”量子將是我們如何看待計算的一個根本性突破
你如何證明量子至上？
通過解決傳統計算機無法有效解決的問題。這個問題可以是任何你想要的，儘管人們通常認為量子至上的第一次證明會涉及一個叫做“隨機電路採樣”的特定問題。
隨機抽樣問題的一個簡單例子是一個模擬公平模具滾動的程序。當從可能的結果中正確採樣時，這樣的程序可以正確運行，並且當您重複運行該程序時，六分之一的時間會在模具上生成六個數字。
與骰子不同的是，這個最高候選問題要求計算機從隨機量子電路的可能輸出中正確採樣，就像一系列可以在一組量子比特或量子比特上執行的操作一樣。讓我們考慮一個作用於50個量子位的電路。
當等效比特通過電路時，量子比特的狀態就被糾纏或糾纏在所謂的量子疊加中。結果，50個量子位是在電路末端250個可能狀態的疊加。如果你測量量子位，海洋的兩個50位可能會塌縮成一個50位的字符串。就像擲骰子一樣，除了六種可能性，你有250，或者1萬億次，並不是所有的可能性都是一樣的。
一臺能夠利用純量子特性（如疊加和糾纏）的量子計算機應該能夠根據正確的分佈從隨機電路中有效地產生一系列的樣品。然而，對於傳統的計算機來說，沒有已知的快速生成這些樣本的算法——因此，隨著可能的樣本範圍的增加，傳統的計算機很快就會被任務淹沒。
障礙是什麼？
只要量子電路保持小，經典計算機就可以跟上。因此，為了通過隨機電路採樣來證明量子的優越性，工程師們需要能夠構造出至少具有一定最小尺寸的量子電路，但到目前為止，他們還不能。
電路的大小取決於你開始使用的量子位的數量和你操作它們的次數。量子計算機中的操作是用“門”來完成的，就像經典計算機一樣。不同種類的門以不同的方式轉換量子位-有些門翻轉單個量子位的值，而另一些門以不同的方式組合兩個量子位。如果你讓量子比特通過10個門，你
電路的“深度”將被視為10。
這不像火箭發射或核爆炸，你只需要觀察並立即知道它是否成功。
斯科特·亞倫
為了實現量子優勢地位，計算機科學家估計量子計算機需要解決棒球場中70-100個量子比特和10個深度電路的隨機電路採樣問題。它可能仍然可以模擬它-和經典的模擬技術一直在發展。
然而，量子工程師面臨的問題是，隨著量子比特和量子門數量的增加，錯誤率也隨之增加。此外，如果錯誤率太高，量子計算機將失去其相對於傳統計算機的優勢。
量子電路中有許多誤差源。關鍵是每次電路進行門操作時，計算中的累積誤差。
目前，最佳的雙量子比特量子門的錯誤率約為0.5%，這意味著每200次運算將有一個錯誤。從天文角度來看，這比標準經典電路中的錯誤率要高，在標準經典電路中，每1017次操作就有一個錯誤。為了證明量子優勢，工程師必須將兩個量子比特門的錯誤率降低到0.1%左右。
我們怎麼能確定量子霸權已經被證明？
一些里程碑是明確的。量子霸權不在其中。”德克薩斯大學奧斯汀分校的計算機科學家斯科特·阿倫森說：“這不像火箭發射或核爆炸。”你只要觀察一下，馬上就知道它是否成功。”
要驗證量子優勢，你必須展示兩件事：量子計算機快速執行計算，而傳統計算機無法有效執行相同的計算。
這是最棘手的第二部分。事實證明，在解決某些類型的問題時，經典計算機通常比計算機科學家所期望的要好。除非你證明經典計算機不能有效地完成某些工作，否則總會有更好、更有效的經典算法。要證明沒有這樣的算法，可能需要比大多數人相信量子至上的想法更多的時間，但要讓這樣的想法被接受，還需要一段時間。
任何人離實現目標有多近？
根據許多報道，谷歌正在敲開量子霸權的大門，並可能在今年年底證明這一點。（當然，2017年也是如此）但許多其他組織，包括IBM、ionq、rigetti和哈佛大學，也可能很快實現量子霸權。
這些小組正在使用幾種不同的方法來建造量子計算機。Google、IBM和rigetti使用超導電路進行量子計算。離子Q使用捕獲的離子。由米哈伊爾盧金領導的哈佛計劃使用原子。微軟的方法，包括“拓撲量子位”，似乎遠未實現。
每種方法各有利弊。
超導量子電路具有由固體材料製成的優點。它們可以使用現有的製造技術製造，並且可以執行非常快速的澆口操作。此外，量子位不會移動，這可能是其他技術的問題。但它們也必須被冷卻到非常低的溫度，超導芯片中的每一個量子位都必須單獨校準，這使得這項技術很難擴展到真正有用的數千個（或更多）量子位。量子計算機。
離子阱有一系列相對的優點和缺點。單個離子是相同的，這有助於製造，離子阱給你更多的時間進行計算，然後量子比特被環境噪聲淹沒。但是用來操作離子的柵極非常慢（比超導柵極慢幾千倍），當你不想讓離子移動時，單個離子也可以移動。
目前，超導量子電路似乎發展最快。然而，各種方法都面臨著嚴重的工程障礙。在建造人們夢想中的量子計算機之前，將需要一項重大的新技術進步。”我聽說量子計算可能需要一項類似晶體管的發明，這是一項幾乎完美且易於擴展的突破性技術儘管最近的實驗取得了令人印象深刻的進展，但我往往沒有發現。
量子霸權已經被證明。我該怎麼辦？
如果量子計算機在諸如隨機電路採樣之類的人類任務中占主導地位，那麼下一個明顯的問題是：好的，他們什麼時候會做一些有用的事情？
量子計算時代即將到來。
有用性里程碑有時被稱為量子優勢。”量子優勢是這樣的：當你看到一個真實的用例（如金融服務、人工智能、化學）量子計算機的性能明顯優於一個已知的經典基準時，你會在何時以及如何看到它？”IBM的Sutor表示，該公司有許多企業客戶，如摩根大通（JPMorgan Chase）和奔馳（Mercedes Benz），他們已經開始探索IBM量子芯片的應用。
第二個里程碑將是創建容錯量子計算機。這些計算機將能夠實時修正計算中的錯誤，原則上允許無錯誤的量子計算。然而，創建容錯量子計算機（稱為“表面代碼”）的主要建議要求計算機實際使用的每個“邏輯”量子比特花費數千個糾錯量子比特。這使得容錯性遠遠超出了目前量子計算的水平。量子計算機在真正做任何有用的事情之前是否需要容錯，這是一個懸而未決的問題。”有很多想法，但沒有什麼可以確定，”布蘭迪奧說
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