谷歌宣称已实现“量子至上”，量子计算时代来了吗？

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编者按：在刚刚过去的九月份，NASA网站上的一篇论文震惊了科技界：Google宣称能够证明“量子至上”。随后，这篇论文又消失了，也使得整件事更加扑朔迷离，引发外界的诸多猜测。量子计算机具有远胜传统计算机的潜力，以IBM和Google为代表的企业也纷纷尝试挖掘量子计算的潜力。一旦成功，这将成为人类知识进步的一个转折点，是迈向一个完全不同的未来世界的第一步，就像莱特兄弟的第一次飞行一样。原文发表自《纽约时报》，作者Dennis Overbye，原文标题“Quantum Computing Is Coming, Bit by Qubit”。

九月下旬，一则消息震惊了整个科技界。Google计算机科学家在NASA网站上发布了一篇论文，声称一种被称为量子计算机的创新型机器能够证明“量子至上”的地位。

据该论文表示，该设备用3分钟的时间就完成了一项专业的高难度技术性运算，而这一运算如果交给一台普通的计算机去做，则需要花费1万年的时间才能完成。这项成就如果确如其描述的这般，那就预示着一场革命的到来，这可能会颠覆我们的思维、计算方式，改变我们对于数据的保护和加密方式。

加利福尼亚理工学院的物理学家John Preskill在一封对外电子邮件中首次提出了“量子至上”（“quantum supremacy”）这一词汇，他表示Google的这一成果很有可能成为“实验物理学领域一项真正了不起的成就”。

但是随后，这篇论文很快又从NASA官网消失了，这也引发了科技爱好者的诸多猜测。Google拒绝对此置评，但据许多专家猜测表示，Google官方应该很快就会正式对外宣布这一消息。这也预示着，量子计算这一现代科学领域最神秘的概念之一正逐渐走向成熟。

距科学家们发现自然界运行的规则远在我们的掌握范围之外已经过去了一个世纪。这其中存在随机性和不确定性，同样的因未必得出同样的果，电子或者是其他的亚原子实体可能无所不在或者是无处可见，究竟是波还是粒子，这些问题的解决需要有仪器对其进行测量。也正是因为如此，大多数的现代技术，从晶体管和激光器到我们口袋里装的各种电子设备都是建立在这种量子怪异性的基础之上。

美国国内包括技术爱好者、政界人士和新闻记者在内的几个行业的从业者都在担心中国未来将在工业、电力、计算和监控等领域处于领先地位。去年，美国国会通过了《国家量子计划法案》，该法案计划投入12亿美元来加大对于量子技术，尤其是量子计算机的研究。

这些计算机利用量子的怪异特性，可以同时进行数以亿万的计算，足以攻克坚不可摧的代码，解决迄今都无法解决的数学难题。Google、IBM、微软以及其他一些公司现在正在设计、构建相关入门版本产品，并将其发布到了网上。也就是说，几乎每一个人都可以尝试，学习让量子领域计算和技术发挥巨大作用。

利用不确定性

普通计算机存储数据、执行计算都是以“位”为单位，其值可以是1或者0。量子计算机则以量子位（qubit）为单位，其值可以同时为1和0，这就使得同时执行多个计算操作成为可能。

八位组成一个字节。大多数智能手机的工作内存是2GB，也就是2*80亿位。这可以说是很多的信息量了，但是与量子位信息容量仍然无法相比。因为每个量子位同时代表的是两个状态，每增加一个量子位，状态总数就会加倍。一个量子位是两个可能的数字，两个就是四个可能性数字，三个则是八个，以此类推。开始的时候可能数字增长缓慢，但很快这一数量就会变得巨大。

位于纽约约克城高地的IBM研究实验室负责人Dario Gil说道：“想象一下你有100个完美的量子位，那就意味着你需要投入地球上所有的原子才能存储达到该量子计算机状态的位数。而如果你有280个完美的量子位，那你就需要投入与宇宙中所有的原子才能存储达到该量子计算机状态的位数。”

最近，Gil带我们参观了IBM的实验室，向我们介绍了量子运算的具体操作。我们的这次参观之旅以一台真正的量子计算机开始，这台量子计算机位于Thomas J. Watson研究中心的大厅里，我们可以看到计算机的内部结构。这台计算机看上去像一颗小小的倒立放置的圣诞树：3英尺高、1英尺宽；一系列金色平台一个连一个悬挂在上面，饰以芯片、电线、神秘的胶囊和闪闪发光卷曲的银管。

每次量子计算都是从0和1这一标准的单位开始，然后这些位会被转换成微波脉冲，并通过电线和管道传送到悬挂在计算机底部的50个小型超导设备（被称为transmons）之中。微波脉冲对量子位进行转换，使得他们处于一种不确定状态（介于0和1之间）之中。随后微波脉冲会继续对他们进行操作，让他们彼此相加或相减，或是将他们成对置于量子纠缠状态之中，这种情况下，一个量子位的变化会影响到另一个量子位的测量结果。这些量子位相互干扰，最后会产出一系列由1和0组成的字符串。

只要你可以避免外部因素对它的影响和破坏，整个运算过程在几分之一秒之内就能完成。除此之外，在操作过程之中，量子位运算必须避开嘈杂的非量子世界，因此整个过程是在一个稀释制冷机内进行，这样底部芯片就可以刚刚好保持在比绝对零度高一点点的温度上，

走过大厅，沿着弯弯的走廊来到尽头的一个房间，里面放着的才是真正的量子计算设备。这台被称为IBM Q System One的设备被放置在一个9英尺宽的黑色玻璃材质的立方体之中，要想进入这一立方体之内，只有通过那扇厚度达半英尺、重量达700磅的门这一种方式。这样厚度和重量的门是为了将量子计算设备更好地密封在寒冷的环境之中，并且能更好地与外界大量的噪音和干扰隔绝开来。

IBM 在今年1月份推出了System One，并且IBM早在3年前，也就是2017年就开放了量子计算云平台IBM Q Experience，任何人都可以登录这一平台，任何人都可以在这一平台上编写、运行程序。Gil表示，截止到目前为止，已经有13万人使用了这一功能，他们总共对其进行了1700万次实验，发表了200多篇相关的论文。除了这台Q System One之外，在其他的一扇扇门之后，还有更多的量子计算设备。Gil说道：“我相信，这栋大楼里的量子计算机工作量应该超过了其它地方量子计算机工作量的总和。”

量子至上？

数学家们仍在争论，如果这些量子计算的能力得以发展成熟，那最终可以实现怎样的效果。普通计算机可以很好地解决那些“简单”的问题，一些在合理的时间内得出答案的问题，例如预测飓风的路径。

除此之外就是一些“难题”，也就是一些很难找到解决方案，但是一旦确定方案，就很容易验证的问题，这其中就包括大数的分解问题。许多现代加密法，包括广泛使用的RSA加密算法，都是建立在合理时间内无法分解大数这一基础之上。

1994年，当时还在贝尔实验室的Peter Shor（现任职于麻省理工学院）设计出了一种算法—Shor算法，可以在量子计算机（在当时还只是一种假设中的设备）上多项式时间内分解大数，这就可以破解目前通用的大多数网络安全代码。

2012年，加州理工学院的物理学家Preskill提出了“量子至上”一词，用以描述量子计算机在性能上远胜传统计算机的潜力。Google团队也一直在尝试去挖掘和实现量子计算的这种潜力，他们研发了一款名为Sycamore的量子芯片，并将其安装在Google公司位于纽约州波基浦西市的量子计算中心实验室（Quantum Computation Center）中，用以处理高度专业化和技术性的难题，以此来证明量子霸权的真实性。

一旦成功，这就将成为人类知识进步的一个转折点，是迈向一个完全不同的未来世界的第一步，就像莱特兄弟的第一次飞行一样。但这也只是漫长征程里的一步而已。

IBM 现在与Google就量子霸权问题处于激烈的竞争之中，IBM Q策略与生态系统副总裁Bob Sutor说道：“关于对此期望的设定，我们一定要非常谨慎，很容易就会有夸大的成分在。”

Gil对此的观点是，他认为“量子霸权”一词具有误导性和措辞上的夸大性。他补充说道：“现实情况是，未来的计算应该是传统计算机、人工智能系统和量子计算三者的结合。”

Gil和他的同事们认为我们其实不应该以量子位来作为量子计算机的单位，他们更倾向于使用一个新的度量单位“量子量”（quantum volume），这样既包含了量子位的数量，也包含了纠错量。据IBM表示，量子量现在每年都在成倍的增长，但没人知道这样的增长还需要持续多久才能达到人们对量子计算期待的效果。

量子霸权的终极目标是使用量子位来破解加密代码，但这显然还需要一段时间才能实现。我们都知道，Google研发的Sycamore量子计算机有53个量子位，而要想存储当前加密代码中使用的一个大数可能需要数百个甚至更多的量子位，而且这其中每一个量子位都需要其他数百个量子位的保护才能避免外部噪音和干扰而出现错误。

综上所述，使用Shor算法破解代码可能需要数百万个量子位，我们还需要耐心等待。

 译者：aiko