【劃重點】

• 1谷歌研究人員在NASA官網(wǎng)上短暫發(fā)布的一篇研究論文顯示，谷歌量子計算機已經(jīng)實現(xiàn)了量子霸權。
• 2實現(xiàn)“量子霸權”距離推翻現(xiàn)行加密技術還很遠，傳統(tǒng)計算機和加密安全并沒有過時。
• 3業(yè)內(nèi)專家稱谷歌機器只是能夠以驚人速度解決精挑細選的問題，目的只是為了展示量子計算機的優(yōu)越性。
• 4現(xiàn)在量子計算機距離實際應用還很遠，但“量子霸權”一詞可能會導致公眾對此期望過高。

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【編者按】谷歌表示其量子計算機的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)計算機，已經(jīng)實現(xiàn)了“量子霸權”。但事實上，量子計算機距離實際應用落地還需要數(shù)年時間。

       谷歌最近“無意”中透露其創(chuàng)造了計算機科學的歷史。近年來，該公司與IBM和英特爾等科技巨頭在開發(fā)量子計算機方面展開了日益激烈的競爭，期望利用量子力學規(guī)律打造的量子計算機來解決某些復雜問題。谷歌一直期望自家開發(fā)的量子計算機原型能夠證明“量子霸權”，這也讓其得到了公眾的持續(xù)關注。“量子霸權”指的是量子計算機勝過經(jīng)典計算機的實驗，谷歌相關領域的一位主要研究人員曾預測，該公司將在2017年達到這一里程碑。

       上個月，有消息稱谷歌已經(jīng)達到了這一里程碑。美國國家航空航天局(NASA)的官網(wǎng)短暫發(fā)布了一份研究報告草稿，谷歌研究人員在其中描述他們?nèi)绾螌崿F(xiàn)了量子霸權。消息被媒體爆出幾個小時后，美國民主黨總統(tǒng)候選人安德魯·楊(Andrew Yang)發(fā)推文警告說，谷歌的量子計算機可能會推翻現(xiàn)行的加密技術。但量子計算領域的研究人員正試圖向全世界保證，傳統(tǒng)計算機和加密安全并沒有過時。

短暫出現(xiàn)在NASA官網(wǎng)上的文章

       很多專家對谷歌的最新進展印象深刻。加州理工學院教授約翰·普萊斯基爾(John Preskill)早在2011年就創(chuàng)造了“量子霸權”一詞，稱這將是“實驗物理學中真正令人印象深刻的成就”。但他和其他專家、甚至是谷歌自己的論文都警告說，這個結(jié)果并不意味著量子計算機已經(jīng)為實際應用做好了準備。

       “他們的機器只是能夠以驚人速度解決精挑細選的問題，目的只是為了展示量子計算機的優(yōu)越性，” 普萊斯基爾說。目前還不清楚量子計算機要多久才能投入商業(yè)使用，完全破解加密技術仍然是遙不可及。路易斯安那州立大學教授喬納森·道林（Jonathan Dowling）說:“這還需要很多年。”

勝過傳統(tǒng)設備的“量子霸權”實驗

       由于量子計算機理論上能夠解決傳統(tǒng)計算機要花太多時間的復雜問題，谷歌和其他公司正在大力進行相關研究。這種方法試圖利用數(shù)學來驗證諸如光的波粒二象性等量子力學古怪之處。上世紀90年代研究人員就發(fā)現(xiàn)，這可能提供一種強大的計算處理新方法。貝爾實驗室一名研究人員曾編寫出一種算法，通過量子計算機來破解長密鑰，顯示出這項技術可能會超越傳統(tǒng)計算機，此后人們對這一領域的興趣大增。

       最近，學術界和企業(yè)界的研究人員紛紛制造出關于量子計算機的各種原型，并吹噓依靠其實現(xiàn)了各種化學和機器學習用例。這些設備如今已經(jīng)可以處理數(shù)據(jù)，但它們的算力仍然太小，而且容易出錯，難以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計算機的實際工作�？紤]到研究人員如何證明量子計算機確實比傳統(tǒng)計算機更有優(yōu)勢，普萊斯基爾在2011年的一次演講中創(chuàng)造了“量子霸權”這個詞。

       自那以后，谷歌、IBM、英特爾、微軟和一些初創(chuàng)公司都加大了對量子計算的投資。這似乎讓“量子霸權”的到來變得不可避免。道林說:“這是我們預料中的事情，遲早要實現(xiàn)。”

       造成這種預期的另一個原因是谷歌自己的研究人員也這么說。2017年，該公司量子硬件研究負責人約翰·馬提尼斯(John Martinis)就預測，他的團隊將在當年年底實現(xiàn)“量子霸權”。谷歌、IBM和英特爾都已經(jīng)展示出大約50個量子比特的量子處理器，這些設備是量子計算機的基本組成部分，與專家預計能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權”的設備容量大小相當。

谷歌如何實現(xiàn)了“量子霸權”

       就像普通計算機中的比特一樣，量子比特也以1和0的形式表示數(shù)字數(shù)據(jù)。量子處理器的強大之處在于量子比特能夠達到一種稱為疊加態(tài)的狀態(tài)，從而能夠讓0和1形成更多種組合。

       至少在某些問題上，疊加態(tài)使得量子處理器上的量子能夠比特比等量比特實現(xiàn)更多種組合。當加入更多的量子比特時，可能的組合會以指數(shù)形式增加。理想情況下，當量子計算機有大約50個量子比特時，即使是現(xiàn)有最大的超級計算機也很難模擬這些量子比特所實現(xiàn)的算力。

       這種現(xiàn)象支撐著谷歌的“量子霸權”實驗。其研究人員開發(fā)了一種名為Sycamore的量子處理器，該處理器包含54個量子比特，用來對量子隨機數(shù)發(fā)生器的輸出進行采樣。同時，研究人員對一些強大的谷歌服務器集群以及橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab)的Summit超級計算機設定了同樣的計算問題。

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab)的Summit超級計算機

       谷歌研究人員的論文稱，傳統(tǒng)計算機只能涉及這個問題的皮毛。研究人員在論文中聲稱，像Summit這樣的頂級超級計算機需要大約1萬年的時間才能實現(xiàn)Sycamore量子處理器在200秒內(nèi)完成的工作。

       正如普萊斯基爾所指出的那樣，這種比較并不公平。谷歌謹慎選擇了一個適合其量子硬件的問題，并在其論文中寫道，要實現(xiàn)量子計算所描繪的輝煌前景，仍然需要“技術上的飛躍”。道林和其他人估計，由于算法的復雜性，擁有數(shù)百萬個高質(zhì)量量子比特的設備才能威脅到現(xiàn)行的加密技術。

距離實用尚需時間

       德克薩斯大學(University of Texas)教授斯科特 阿倫森(Scott Aaronson)拒絕就谷歌論文的細節(jié)置評。但他表示，展示“量子霸權”仍是一個有用的標志。他說:“雖然這只是一個概念證明，”“但在你能做有用的事情之前，你需要一個概念的證明。”

       谷歌及其競爭對手表示，量子計算機可能會做的實用性工作包括改進化學模擬，用于電池設計和藥物研發(fā)等應用，并推動機器學習技術的發(fā)展。摩根大通和戴姆勒等公司正在測試IBM的量子計算硬件，而美國國家航空航天局正與谷歌等公司合作，希望借助量子計算機完成任務調(diào)度或探測系外行星。

IBM的量子計算機原型

       目前尚不清楚量子計算機離完成這些任務還有多遠。IBM研究主任達里奧 吉爾(Dario Gil)對谷歌的結(jié)果表示祝賀，但他也擔心“量子霸權”一詞可能會導致量子計算研究領域之外的人對此期望過高。他表示:“我們需要制造更有實用價值的機器，但不是現(xiàn)在也不是明年。”“這仍需要一些時間。”（皎晗）