2019年，谷歌率先宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”（量子優(yōu)越性），一把把量子計(jì)算推入公眾視野，激起量子計(jì)算領(lǐng)域的千層浪。就在近日，中國(guó)團(tuán)隊(duì)宣布量子計(jì)算機(jī)“九章”問(wèn)世，挑戰(zhàn)谷歌“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn)算力全球領(lǐng)先。

“九章”作為一臺(tái)76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算機(jī)，其處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍。史上第一次，一臺(tái)利用光子構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)超越了運(yùn)算速度最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。

同時(shí)，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的國(guó)家，也將量子計(jì)算研究推進(jìn)下一個(gè)里程碑。

“九章”得以成為世界級(jí)重大科研成果，再一次，關(guān)于量子計(jì)算、量子霸權(quán)的討論紛至沓來(lái)。“量子霸權(quán)”在“霸權(quán)”什么？我們何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”？

量子霸權(quán)擂臺(tái)賽

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計(jì)算機(jī)所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡(jiǎn)單操作。不同于經(jīng)典計(jì)算，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，在1981 年被著名物理學(xué)家費(fèi)曼首次提出。

基于量子計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個(gè)量子比特對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個(gè)數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個(gè)向量。更具體地說(shuō)，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量，這個(gè)向量空間稱為狀態(tài)空間。

經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計(jì)算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)（superposition）。

普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11中的一個(gè)），而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計(jì)算機(jī)相較于當(dāng)前使用最強(qiáng)算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，理論上將在一些具體問(wèn)題上有更快的處理速度和更強(qiáng)的處理能力。

2019年，谷歌宣布率先實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。根據(jù)谷歌的論文，該團(tuán)隊(duì)將其量子計(jì)算機(jī)命名為“懸鈴木”，處理的問(wèn)題大致可以理解為“判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是否真的隨機(jī)”。

“懸鈴木”包含53個(gè)量子比特的芯片，僅需花200秒就能對(duì)一個(gè)量子線路取樣一百萬(wàn)次，而相同的運(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit上則需要1萬(wàn)年才能完成。

200秒之于一萬(wàn)年，如果這是雙方的最佳表現(xiàn)，便意味著，量子計(jì)算對(duì)于超級(jí)計(jì)算壓倒性的優(yōu)勢(shì)。因此，這項(xiàng)工作也被認(rèn)為是人類歷史上首次在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了量子優(yōu)越性，被《Nature》認(rèn)為在量子計(jì)算的歷史上具有里程碑意義。

而此次的“九章”卻在“懸鈴木”的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。

“懸鈴木”量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)依賴其樣本數(shù)量。事實(shí)上，雖然采集100萬(wàn)個(gè)樣本時(shí)，“懸鈴木”僅需要 200 秒，超算 Summit 則需要 2 天，量子計(jì)算相比于超級(jí)計(jì)算機(jī)有優(yōu)越性。但如果采集 100 億個(gè)樣本的話，經(jīng)典計(jì)算機(jī)仍然只需要2天，可是“懸鈴木”卻需要 20 天才能完成這么大的樣本采樣。在這樣的條件下，量子計(jì)算反而喪失了優(yōu)越性。

然而，“九章”所解決的高斯玻色采樣問(wèn)題，其量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量。同時(shí)，從等效速度來(lái)看，“九章”在同樣的賽道上，比“懸鈴木”還快了一百億倍。根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 個(gè)樣本，如果用我國(guó)的“太湖之光”，需要運(yùn)行 25 億年。即使運(yùn)用目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”，也需要 6 億年。

此外，在態(tài)空間方面，“九章”也以輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到 1030 的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“懸鈴木”。可以說(shuō)，“九章”的出色表現(xiàn)，牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，更是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重大成就。

實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)是一場(chǎng)持久戰(zhàn)

量子霸權(quán)并不具有像其詞義所表示的政治含義，而是一個(gè)單純的科學(xué)術(shù)語(yǔ)，是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上超越現(xiàn)有的最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)而稱為“量子優(yōu)越性”，也叫“量子霸權(quán)”。

基于量子的疊加性，許多量子科學(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(jì)算能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。但從目前來(lái)看，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)仍然是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。

究其原因，則與量子霸權(quán)實(shí)現(xiàn)的條件相關(guān)。科學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過(guò)一定數(shù)目時(shí)，量子霸權(quán)就可能實(shí)現(xiàn)。這包含了兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是操縱的量子比特的數(shù)量，二是操縱的量子比特的精準(zhǔn)度。只有當(dāng)兩個(gè)條件都達(dá)到的時(shí)候，才能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)越性。

然而，不論是用54個(gè)量子位實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)的“懸鈴木”，還是構(gòu)建了 76個(gè)光子實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，雖然人們操縱量子比特的數(shù)量在不斷提高，但人們?nèi)孕杳鎸?duì)量子計(jì)算精準(zhǔn)度和不可小覷的超算工程潛力。

其中，量子比特能夠維持量子態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度，被稱為量子比特相干時(shí)間。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時(shí)代表1和0）時(shí)間越長(zhǎng)，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進(jìn)行的計(jì)算就越復(fù)雜。而當(dāng)量子比特失去相干性時(shí)，信息就會(huì)丟失。因此，量子計(jì)算技術(shù)還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特，然后在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，去對(duì)量子系統(tǒng)做量子糾錯(cuò)的操作。

同時(shí)，經(jīng)典計(jì)算的算法和硬件也在不斷優(yōu)化，超算工程的潛力更是不可小覷。比如，IBM 就宣稱，實(shí)現(xiàn) 53 比特、20 深度的量子隨機(jī)線路采樣，經(jīng)典模擬完全可以只用兩天多時(shí)間，甚至還可以更好。

正如前述，“懸鈴木”量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)依賴其樣本數(shù)量。當(dāng)采集100萬(wàn)個(gè)樣本時(shí)，“懸鈴木”將比于超級(jí)計(jì)算機(jī)將擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而當(dāng)采集 100 億個(gè)樣本的話，經(jīng)典計(jì)算機(jī)仍然只需要2天，可是“懸鈴木”卻需要 20 天才能完成這么大的樣本采，使得量子計(jì)算反而喪失了優(yōu)越性。

此外，很長(zhǎng)一段時(shí)間里，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性都只針對(duì)特定任務(wù)。比如，谷歌的量子計(jì)算機(jī)就針對(duì)的是一種叫做“隨機(jī)線路采樣（Random Circuit Sampling）”的任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，選取這種特定任務(wù)的時(shí)候，需要經(jīng)過(guò)精心考量，該任務(wù)最好比較適合已有的量子體系，同時(shí)對(duì)于經(jīng)典計(jì)算來(lái)說(shuō)很難模擬。

這意味著，量子計(jì)算機(jī)并不是對(duì)所有的問(wèn)題都超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是只對(duì)某些特定的問(wèn)題超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，因其對(duì)這些特定的問(wèn)題設(shè)計(jì)出高效的量子算法。對(duì)于沒(méi)有量子算法的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)則不具有優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)上，這也是此次“九章”創(chuàng)造性突破所在。“九章”二次演示的“量子霸權(quán)”不僅證明了原理，更有跡象表明，“高斯玻色取樣”可能有實(shí)際用途，例如解決量子化學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的專門問(wèn)題。更廣泛地說(shuō)，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構(gòu)建任何大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的先決條件。

但總的來(lái)說(shuō)，不論是從量子計(jì)算的數(shù)量還是精度，是經(jīng)典計(jì)算的潛力或者局限，量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)都將是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

用人們?nèi)粘５难酃鈦?lái)看，量子物理學(xué)中的一些事物看起來(lái)“毫無(wú)章法”，有的似乎完全說(shuō)不通。但這正是量子力學(xué)的迷人之處，使之成為了科學(xué)家們努力的意義所在。對(duì)于量子力學(xué)的詮釋可以理解成物理學(xué)家在嘗試找到量子力學(xué)的數(shù)學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界的某種“對(duì)應(yīng)”。從更深層的角度來(lái)看，每種詮釋都反映著某種世界觀。

人們欣喜于每一次技術(shù)的突破，也正是在這些努力中，人類文明才能不斷前進(jìn)。正如此次量子計(jì)算機(jī)被命名為“九章”一樣，那來(lái)自《九章算術(shù)》的中國(guó)古代教科書般的意義，也寄托了人們對(duì)未來(lái)世界的想像和愿望。

責(zé)任編輯：xj