本文刊载于《三联生活周刊》2019年第44期，原文标题《什么是“量子霸权”》，严禁私自转载，侵权必究。
理论理学学家约翰·普瑞斯基尔
近期几天来，一个看上去有些怪诞的名词——“量子霸权”（quantum supremacy）起始越来越频繁地出此刻资讯里，难免让人感觉有些费解。实质上，这个词已然显现有7年时间了。它最初是由于加州理工学院的理论理学学家约翰·普瑞斯基尔（John Preskill）在2012年创造出来的。普瑞斯基尔最初虽然亦认识到，这个词看上去显出有些不伦不类，但他认为相比于“优良”之类的词汇，唯有用“霸权”才可准确描述出量子计算相针对传统计算方式基本没法比拟的优越性。
“量子霸权”一词最近起始频频出此刻媒介报告中，是由于一篇刚才发布就受到全世界密切关注的论文。有专家认为这篇论文拥有划时代的道理，是人类技术史上一个值得纪念的里程碑，麻省理工学院的专家威廉·奥利弗（William Oliver）乃至把这个成就比作莱特兄弟驾驶飞机完成首次飞行。当然，针对量子霸权的质疑和批评亦随之而来。
2019年10月23日，《自然》（Nature）杂志发布了一篇重点由谷歌机构的专家撰写的论文《经过可编程超导处理器实现量子霸权》（“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”）。早在论文发布之前，在这项科研中亦做出了贡献的美国航空航天局（NASA）就曾经迫不及待地把论文发在网上。虽然她们火速又把这篇论文撤下，但内容还是提前泄密了出来，算是为量子霸权进行预热。
论文中所说实现量子霸权，指的是谷歌机构的专家在位置于加州圣芭芭拉的实验室中实现了量子计算机科研的重大突破，完成为了一个利用传统计算机基本没法完成的任务——虽然这个算是完全为日前的量子计算机量身定做的任务，无任何实质道理，日前的量子计算机亦还没法完成任何实质工作。
所说不可能的任务，指的是谷歌机构开发的“Sycamore”量子处理器在200秒的时间里就完成为了一系列随机选择的指令。谷歌机构的专家声叫作，传统计算机要完成这般的任务，即使是日前人类最快的超级计算机亦需要一万年的时间，而量子计算机在200秒内完成（并且经过检验计算正确）。可谓云泥之别，所说量子霸权名副其实。
针对谷歌机构声叫作实现了量子霸权，最严厉的批评正是来自于其竞争对手IBM机构。在IBM科研博客（IBM Research Blog）页面，几位IBM专家撰文，认为谷歌机构针对这项成就的描述未免言过其实。所说传统计算机需要一万年才可完成的任务，这几位专家认为，实质上利用日前最强大的计算机，在两天半的时间之内就能完成。对照之下并不算是实现了量子霸权。
即使是针对量子计算的前景最为阳光的专家，包含普瑞斯基尔自己亦都承认，虽然谷歌机构的量子计算科研取得了重大突破，但在日前并无任何实质应用，亦不会为全部科研行业带来巨大的改变。这项从20世纪80年代就起始的科研还有很长的一段路要走，将来的发展亦还充满未知。
量子计算的发展格外艰难，是由于其自己性质决定的。量子现象是人类在微观行业发掘的与宏观经典世界截然区别的有些现象。专家们在理论上证明，能够利用物质的微观量子态进行计算。由于量子态的特征，其计算效率会远超传统计算机。传统计算机中存储和处理一系列的数字“0”和“1”，虽然其速度持续提高，但随着半导体器件的功能逐步接近极限，计算机处理器的速度终究会到达尽头。而所说的“量子比特”（qubit），利用其自己奇特的量子特性，能够同期处在“0”和“1”两种状态。倘若利用量子比特进行计算，其进行计算的规律完全区别，速度相比传统计算机会有革命性的提高。
而量子计算的弱点亦非常显著。让量子比特处在“叠加态”，并且出现相互功效进行计算，需要极其精细的设计。量子态非常容易受到周边环境的干扰而出现“塌缩”。想要进行量子计算，一方面要让量子比特处在极低温、与外界隔绝的状态，另一方面又要让区别的量子比特之间相互联系。想要进行有效的掌控和操作，需要专家花费海量的时间寻求合适的材料，持续完善设计和制造工艺。
谷歌机构的“Sycamore”量子处理器中有53个量子比特进行计算，虽然相比之前已然有了很大进步，然则距离实质应用仍然有很大的距离。例如人们经常说到的利用量子计算的“秀尔算法”（Shors algorithm）破解日前人类在电子商务中常用的“RSA加密算法”（RSA cryptosystem）。这种方式虽然在理论上可行，然则需要几千个量子比特协同工作。另一，日前人类研发的量子计算机还无相应的纠错机制。想要创立量子计算机的纠错机制，可能还需要额外的上百万个量子比特。日前看来想要达到这个标准仍然遥遥无期。
尽管长路漫漫，专家们仍愿意向人们介绍量子计算能够为人类社会带来的巨大改变。量子计算机不大可能像传统计算机同样作为普通的家用电器，然则依赖持有超强计算能力的量子计算机，人类将能够实现非常多突破。例如化学家们期盼能够经过计算模拟大分子内部的结构。这种办法虽然在理论上有可能，然则当分子太大时，日前的计算机就没法应付。经过量子计算模拟大分子内部的相互功效，在制药和材料行业取得重大发展，在人工智能、设备学习、秘码学、寻找新能源等方面量子计算亦都会有重大的应用。
正是由于量子计算展现出了巨大的潜能，虽然距离制造出能够完成实质工作的量子计算机还遥遥无期，但日前非常多国家都在这个科研行业进行了海量投入。有些知名机构如谷歌、IBM、英特尔等都在经过区别的途径研发量子计算机，日前可操作的量子比特数量都在50个到100个之间。仅有能操作更加多的量子比特，实现更小的干扰，拥有实质应用的量子计算机才会作为可能。一个崭新的量子计算时代虽然仍然遥远，但人们越来越有理由对它寄予厚望。
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发表于 2024-7-31 01:23:10