“量子霸权”是什么霸权？

古月一刀

2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”处理器图片。该处理器利用量子叠加和量子纠缠使计算空间指数级增长

“1万年的工作，200秒就被做完”是什么概念？

这就好比，人类社会2000多年公元史，抽根烟的功夫就过去了。搁在过去，如果有人公开这样说，可能会被当成疯子。

然而，就在2019年10月，真的有人公开这样说了，而且他还来自有“最伟大公司”之称的谷歌。

不出所料，业界引起了一波“强震”。有人拍手叫好，感叹科技革命来了。有人心生疑惑，质疑是否噱头。但不可否认的是，谷歌人的这波操作，把有关计算机的未来形态方面的讨论，大大方方地摆在了人们的面前。

量子计算

谷歌人是在《自然》杂志上发起这一讨论的。

10月23日，谷歌的工程师发表了一篇论文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》，表示开发的53位量子计算机Sycamore，在200秒内完成了Summit（世界上最快超级计算机）需要花1万年时间才能搞定的特定问题计算。谷歌声称，通过这台量子计算机实现了量子霸权（Quantum Supremacy）。

量子计算机至少需要49个量子比特，才能达成“霸权”目标。

等等，这段话的信息量有点多，我们来梳理一下。

先从常见的超级计算机开始。简单来说，相比于我们使用的个人计算机，超级计算机就是能执行一般个人电脑所无法处理的运算的计算机。

中国也曾研发出世界第一的超级计算机“神威·太湖之光”，但之后接连被美国的Sierra和Summit超越。在超算领域，中美日欧是头部玩家;超算500强中，中国占了四成，美国占了两成。

下一个问题，被称为“次世代计算机”的量子计算机是什么？

谷歌CEO桑达尔·皮查伊在美国加州圣芭芭拉实验室的一台谷歌量子计算机旁

首先我们要明确的一点是，无论是经典计算机还是量子计算机，都是用0和1二进制序列保存数据的。在经典计算机中，0和1由不同的电压实现，0代表低电压信号，1代表高电压信号，二进制序列由一个高低电压交错的脉冲实现。

在经典世界中，我们只能同时拥有一个状态。如果拥有了001态，我们就不能同时拥有010态。但在量子世界中，我们可以得到叠加态。与经典算法不同，量子算法不用传统的单线程计算，而可以并行计算。这就使得量子计算的效率大大提高了。

量子计算机，简单地说，它是一种可以实现量子计算的机器。并行计算是量子计算机实现算力突破的最大武器。1982年，由美国著名物理学家理查德·费曼提出的利用量子體系实现通用计算的新奇想法，在计算机的发展中不断得以验证。

看似爆炸性的新闻背后，实际上是人类长期在计算机领域不惜成本投入与研发的结果，直到今天谷歌公司真正实现算力突破，时光已经走过了37年。这不是一个短暂的时段，也不是一家公司的丰功伟绩，谷歌只是站在无数巨人的肩上，未来也同样会成为其他人的垫脚石。

最后来谈谈量子霸权。霸权听上去很唬人，其实也没有那么可怕，比如把Supremacy翻译成“优势”的时候。

它主要是指，在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务，比如美国民主党的总统参选人杨安泽所说的破解密码—一天之内破解原本几万年才能破解的密码，等等。

巨头发难

一般观点认为，量子计算机至少需要49个量子比特，才能达成“霸权”目标。

而这次谷歌的Sycamore由54个transmon量子比特的二维阵列组成。为了完全控制这个量子处理器，谷歌还精心设计了277个数模转换器。

Sycamore使用铝制造，芯片被引线连接到超导电路板上，并在稀释制冷装置中被冷却至20mK以下。这一温度只比绝对零度高2%度，之所以温度要这么低，是为了将环境热能降到大大低于量子势能的程度，防止外界热量干扰量子处理器。

窃听量子密钥会造成量子态溃缩，从而使加密密钥无法传输。

谷歌在《自然》杂志上这样说：“我们使用具有53个超导量子比特的可编程处理器，占用状态空间为2^53≈10^16。”

53个量子比特拥有什么样的算力？据悉其一共可以模拟1016种状态，这是个早已超出当今超级计算机运算能力的数字。

如此令人吃惊的成就被公之于众，欢呼之后，接下来更多要接受公众的打量与审视。

美国斯坦福大学量子物理学家帕特里克·海登坦言，谷歌的量子比特处理器可能具有很强的计算能力，以至于传统方法无法模拟。但这场实验给出的答案，在传统机器上是无法验证的，所以我们很难确定谷歌的设备是否做得正确。

“当然，谷歌量子计算研究团队是一群严肃的科学家，他们会尽其所能来确定这一点。”海登补充道。

学者们的发言还算是客气的，相较之下，谷歌在量子领域的主要对手IBM则“火力全开”了。

IBM方面迅速写了一篇论文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》，表示在超级计算机上仅需两天半，就能完成谷歌在论文中所谓的1万年才能完成的计算。在未来，传统计算机和量子计算机应该是各有任务，而不是前者被“吊打出局”。

IBM这篇火速反击的论文，结果只是估算出来的，并未有实际的测试，所以力度稍弱。退一步来说，就算超级计算机只需两天半，量子超算200秒的运算速度也是领先几个身位的存在。

当然，“1万年对200秒”的对比实在是太过吸睛，IBM领头后，一些业内人士也开始发声质疑谷歌。对此，谷歌首席执行官桑德尔·皮查伊表现得“云淡风轻”。他说：“首架飞机仅仅飞行了12秒钟，所以没有实际的应用价值。但这显示出飞机是可以飞的。”

世界上最快的超级计算机Summit

作为行业内的竞争者，两大巨头的争议孰是孰非，缺乏专业知识背景的一般读者可能难以评判。但是抛开技术争议，量子计算相较于传统计算所具有的颠覆性和革命意义，展示出人类突破计算处理极限的令人振奋的前景，这一点没有人否认。

从这个意义上讲，谷歌的一小步，配得上“人类的一大步”。

“矛”“盾”之争

超算领域，中美两强争霸，一个最多，一个最快，可谓是针锋相对，旗鼓相当。到了量子计算领域，美国取得了巨大突破，中国呢？

有人说，中国的突破更加实用，不信你看看民间“量子波动速读”“量子治痛经”“量子水杯”……发展得多么如火如荼啊。

“量子速读”骗局的曝光时间点，恰好撞上了谷歌的突破，这一点不免让国人尴尬自嘲。但说实话，我们也不必太过在意。如同当年横空出世的“纳米”概念一样，当时中国市场也出现了无数“纳米”保健产品。并非中国量子科研领域不强，这只是骗子们改头换面，再次借了一个流行概念行骗罢了。只要消费者平时多读新闻，自然不会被收“智商税”。

中国研发的超级计算机“神威·太湖之光”

在谷歌人的量子计算机论文发表之前，中国的量子科学一直在稳步前行。一方面，量子技术在理论上是被证实的，业界预言它会在经济、军事、科研、安全等领域建立全方位的科技优势。但另一方面，总有一些不怀好意的人打着科研的旗号，在市场浑水摸鱼，骗取国家经费。这样的事件，在中国发生的已不在少数。

对于这种前瞻性强、同时实用性有部分争议的技术，中国应用得非常谨慎。

如今的量子领域，在量子计算机方面，美国处于领跑状态是毋庸置疑的。早在两年前，IBM就发布了50比特量子计算机样机。随后的2018年，英特尔发布49比特量子芯片，谷歌推出了一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone。

但在量子通讯方面，中国则不甘落后。量子通讯的理论基石是“量子退相干”理论，具体可以解释为：窃听量子密钥会造成量子态溃缩，从而使加密密钥无法传输，那么加密方就能发现有第三者窥探，可立即终止信号传输。

2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子号”成功发射，并首次成功实现千公里级的星地双向量子通信。这项技术据称领先国际相关技术水平至少5年。当下，中国量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二。

有人这样评价，量子计算领域比较有“进攻性”，如同一支矛。而量子通讯更贴近防守，像一面盾。中美两国现在的科研情况，如同“矛”“盾”，各有进攻和防守。

但在“算力即权力”的信息社会，谁的计算能力更强，谁就会掌握量子霸权，主导未来社会的发展方向。从这个层面看，在中美频繁交锋的历史节点，这是一场谁都不愿输掉的比赛。

国内的话，中国科技大学在量子领域的积累最为深厚。中国科学技术大学超导量子计算研究员黄浩亮日前受访表示，量子计算在中国起步较晚，现在仍在努力赶超美国。但在明年年底，致力于50位量子计算技术的中国研究人员有望触及“量子霸权”。

量子科学，也被称为和平时代的“核力量”，在一个“算力为王”的互联网时代，量子计算技术一旦获突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域崛起成为超级强国。在这种力量的威慑下，现在的银行安全体系、互联网账号体系、各种加密通讯都形同虚设。

毕竟，没有密码可以经得住“1萬年运算”的考验。