什么是量子霸權(quán)？“霸權(quán)”與“優(yōu)勢”

但谷歌的競爭對手國際商業(yè)機(jī)器股份有限公司（IBM）連發(fā)駁斥，認(rèn)為谷歌這是在炒作，兩個(gè)科技界大佬在量子計(jì)算領(lǐng)域的爭論瞬間成為熱門話題。

什么是量子霸權(quán)？

網(wǎng)友們請放下你準(zhǔn)備搜索的鍵盤，讓我來解釋一下“什么是量子霸權(quán)”。

Quantum Supremacy，中文翻譯為量子霸權(quán)，這里的“霸權(quán)”并不是我們常理解的霸權(quán)主義的那個(gè)“霸權(quán)”，量子霸權(quán)屬于專有名詞，意思是在處理同一個(gè)問題時(shí)，量子計(jì)算擁有了超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的特有優(yōu)勢。

實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，將代表超越經(jīng)典的量子計(jì)算能力從理論走進(jìn)實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著一個(gè)新的計(jì)算能力飛躍時(shí)代的開始。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)絕非易事，而且，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)也只是一個(gè)開始，離實(shí)現(xiàn)實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)尚有很大距離。

自 2011 年約翰·普瑞斯基爾（John Preskill） 教授在一次演講中提出“量子霸權(quán)”的概念，IBM、Google、Intel、微軟，以及一些創(chuàng)業(yè)公司就開始加大對量子計(jì)算的投資和研發(fā)；該領(lǐng)域的競爭也越來越激烈。

谷歌和IBM都已分別在2017年11月和2018年3月宣稱實(shí)現(xiàn)了50個(gè)和72個(gè)量子位的原型機(jī)。但在物理實(shí)驗(yàn)上，此前還沒有任何一臺量子設(shè)備在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出這種能力。誰能夠證明這種能力，誰就能號稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

谷歌“自封”量子霸權(quán)？

根據(jù)量子物理學(xué)的理論，量子計(jì)算是高速信息處理的開發(fā)科技?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用0或1比特(bit)為代表的電子或光學(xué)的脈沖流，只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。

一臺量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式是是“量子比特(Qubit)”，即電子或光子等亞原子顆粒，可以是介于0和1之間的任何狀態(tài)。對這些亞原子顆粒的操控就能比普通二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生更強(qiáng)的計(jì)算力和更高的計(jì)算速度。

2019年9月底，谷歌提交給NASA的一篇論文被泄露，該論文聲稱谷歌已經(jīng)能夠利用一臺 53 量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)——在世界第一超算Summit需要計(jì)算 1 萬年的實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了 3 分 20 秒。

據(jù)悉這份論文后來引發(fā)了較多爭議，最終并未獲學(xué)界認(rèn)可。

創(chuàng)造出“量子霸權(quán)”這個(gè)術(shù)語的 John Preskill 教授警告，這一成果目前還僅存在于谷歌的論文中，并不代表量子計(jì)算機(jī)會(huì)在現(xiàn)實(shí)生活中有此等表現(xiàn)。

后來，這篇論文被 NASA 刪除。有消息稱，論文被刪是因?yàn)楣雀璧难芯可形唇?jīng)過同行評審和討論就被 NASA 發(fā)表，這是不符合流程的。另一方面，谷歌和 NASA 都拒絕證實(shí)論文的真實(shí)性。

不過谷歌在2019年10月23日發(fā)布博客，稱在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇論文，其位于加州圣巴巴拉的研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，谷歌也成為世界上首個(gè)宣稱實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的公司。谷歌首席執(zhí)行官桑德爾·皮查伊(Sundar Pichai)在文章中說，谷歌一共花費(fèi)了13年的時(shí)間來達(dá)成這一突破。

一般觀點(diǎn)認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)至少需要 49 個(gè)“量子比特”才能達(dá)成“霸權(quán)”目標(biāo)。量子比特與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特具有截然不同的特性，傳統(tǒng)計(jì)算器只能在一個(gè)比特中表達(dá)“1”或者“0”，但由于量子效應(yīng)，量子字節(jié)的位置、方向、動(dòng)量等數(shù)值無法得到明確定義，因此能夠同時(shí)表示“1”和“0”組成的疊加(superposition)狀態(tài)。

根據(jù)谷歌CEO皮查伊文章，所以如果你有2個(gè)量子比特，就會(huì)同時(shí)有四種可能狀態(tài)，這種計(jì)算狀態(tài)會(huì)呈“指數(shù)級”增長。

IBM：我反對！

IBM也在努力實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在這之前，谷歌已經(jīng)憑借著龐大的量子計(jì)算機(jī)規(guī)模在競爭中處于領(lǐng)先地位。2018年，谷歌展示了73量子比特計(jì)算機(jī)，該計(jì)算器明顯強(qiáng)于位列第二的競爭對手IBM在2019年9月18日公布的53量子比特研究成果。

IBM這次也馬上對谷歌確立量子主宰地位的宣稱提出了質(zhì)疑，理由是一臺現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也可以在兩天半的時(shí)間里同樣理想地解決谷歌的問題，而不是谷歌宣稱的一萬年。

IBM指出，量子主宰地位只有在“量子計(jì)算機(jī)能夠完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的工作時(shí)”，才算確立。公司表示，谷歌完成了一次“可畏的挑戰(zhàn)”，但并沒有跨越那道門檻。

IBM 近日在 Arxiv 上發(fā)表了一篇由五名研究人員合著的論文來駁斥谷歌的觀點(diǎn)?！拔覀兌卮贅I(yè)界用質(zhì)疑的態(tài)度來對待這一歷史上的首次‘宣稱’，即量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)?！盜BM表示，“谷歌聲稱自己實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的說法具有誤導(dǎo)性，讓人們以為自己進(jìn)入了一個(gè)新的計(jì)算時(shí)代，而量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間的巨大差異并不會(huì)讓兩者分割，而是在未來協(xié)同工作?！?/p>

雖然，IBM 本次拆臺谷歌看起來似乎是一個(gè)充滿挑釁的舉動(dòng)，但 IBM 頂級量子研究人員兼量子計(jì)算總裁（也是本次論文的合著者之一）Jay Gambetta 表示，他們的動(dòng)機(jī)主要是基于技術(shù)問題；更重要的是對“量子霸權(quán)”這種說法的不滿，而不是存心與谷歌對抗。

谷歌：反對無效！

盡管IBM想要淡化谷歌的成就，不過科學(xué)研究界人士對此表示歡迎，《紐約時(shí)報(bào)》稱科學(xué)家將此成果與萊特兄弟1903年的首次飛機(jī)飛行相提并論。

谷歌對此表示，盡管利用一臺處理機(jī)完成一次計(jì)算可能是有限的，但這只是第一步。皮查伊也予以還擊，并把首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的意義與萊特兄弟的首次試飛相提并論。皮查伊表示：“人類的首架飛機(jī)飛行時(shí)間只有12秒，因此也不可能有實(shí)際的應(yīng)用。但這證明了飛機(jī)飛行的可能性?！?/p>

也許在未來十年內(nèi)，人們都無法看到量子計(jì)算機(jī)給世界帶來實(shí)際的改變。但谷歌預(yù)測，量子計(jì)算機(jī)的潛在應(yīng)用包括飛機(jī)和汽車輕量化電池的設(shè)計(jì)以及藥物設(shè)計(jì)等。

谷歌也承認(rèn)，量子計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)必要的計(jì)算能力，還需要工程界和科學(xué)界很多年的努力?！暗俏覀兛吹搅诉@條路是清晰的，并且會(huì)一致朝前走?！惫雀璞硎?。

谷歌還表示，他們將盡快開發(fā)一款能夠“容忍噪音和錯(cuò)誤”的量子計(jì)算機(jī)。這種量子計(jì)算機(jī)原則上能夠處理任何問題。理論上講，它們需要更強(qiáng)大的處理器，能夠包容更多的量子比特，而且為了達(dá)到糾錯(cuò)功能，還需要機(jī)器冗余。不過業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)至少還要等上10年左右。

業(yè)內(nèi)怎么看？

一位量子信息技術(shù)的從業(yè)人員在接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)表示：“通過論文的預(yù)印本補(bǔ)充材料可以看出，谷歌用作對比的經(jīng)典算法降低了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的‘智商’，是拿完全沒有優(yōu)化過的‘最笨’的算法來進(jìn)行對比，因此有點(diǎn)夸大對比結(jié)果之嫌?！?/p>

如果像IBM所說的，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要2.5天解決的問題，量子計(jì)算機(jī)用了200秒解決，這與谷歌宣稱的一萬年與200秒的對比，效果上打了不少折扣，也就是說量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢并不那么明顯。

但由于“量子霸權(quán)”并沒有對量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快多少做出定義，理論上只要量子計(jì)算機(jī)被證明快于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，都能被視為實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

麻省理工學(xué)院教授Peter Shor認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度是很難做比較的?！斑@就好像無法回答‘火車要比船快多少的問題’?！盨hor教授在近期上海舉行的一場墨子沙龍上表示，“這不僅僅取決于運(yùn)輸方式，還取決于目的地在哪里?！?/p>

Shor指出，公眾的一個(gè)誤區(qū)是往往局限于計(jì)算機(jī)的速度多快，而忽視了它的記憶和儲(chǔ)存。他解釋道：“量子計(jì)算機(jī)上的每一步幾乎肯定要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要復(fù)雜，但是量子計(jì)算機(jī)可以利用量子力學(xué)特性的算法，大大減少所需要的部署，從而加快計(jì)算的速度，這個(gè)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具備的。”

對于量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化前景，谷歌表示：“對于量子計(jì)算的保守估計(jì)，投資者預(yù)計(jì)只能在長期獲得回報(bào)。盡管如此，我們依然認(rèn)為，隨著小型的量子計(jì)算機(jī)會(huì)在5年內(nèi)逐漸興起，短期的回報(bào)仍然是有可能的，雖然這些設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)完全的糾錯(cuò)功能?！?/p>

“霸權(quán)”與“優(yōu)勢”

Quantum Supremacy 中的 Supremacy ，本身就有至高無上的意思，中文直接把它翻譯為“霸權(quán)”也沒毛病，把它的標(biāo)準(zhǔn)翻譯為“稱霸標(biāo)準(zhǔn)”，但是這較容易引發(fā)誤會(huì)和反感。

畢竟稱王稱霸的，最后都沒什么好下場。

就連 John Preskill 教授自己最近也開始反思“量子霸權(quán)”一詞的不妥之處。

IBM 也提出了自己的意見，認(rèn)為“霸權(quán)”和“實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)”等字眼會(huì)誤導(dǎo)公眾。首先，正如上文所提到的，真正的量子霸權(quán)尚未實(shí)現(xiàn)；其次，每種計(jì)算機(jī)都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，量子計(jì)算機(jī)也不會(huì)凌駕于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之上。所以在谷歌聲稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的時(shí)候，IBM 也提出了另一個(gè)概念，叫做量子優(yōu)勢（Quantum Advantage），聽起來是不是更好接受一點(diǎn)？

而學(xué)界認(rèn)為，IBM 提出的量子優(yōu)勢，與量子霸權(quán)已經(jīng)不屬于一個(gè)概念范疇。量子優(yōu)勢針對的是真實(shí)的應(yīng)用場景，展現(xiàn)出量子計(jì)算超越經(jīng)典計(jì)算的能力。言下之意，就是量子優(yōu)勢不僅要體現(xiàn)出計(jì)算能力的碾壓，還得催生出商業(yè)價(jià)值來。所以 IBM 的研究之路與谷歌又有所不同，主要是聯(lián)合了多家大型企業(yè)研究部署量子計(jì)算云平臺，快速實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值。

兩個(gè)名詞的背后，是兩個(gè)不同的研究方向，或者說兩種不同的利益驅(qū)使。

不管是量子霸權(quán)也好，量子優(yōu)勢也好，沒有人能預(yù)測它在什么時(shí)候到來，我們只需要知道，有關(guān)它的真實(shí)研究成果，最終影響的是國家乃至世界的量子技術(shù)發(fā)展格局。量子計(jì)算很有可能成為第四次工業(yè)革命的其中一個(gè)分支，所以各方大佬都很急，但急也沒有用，重要的還是尊重科研規(guī)律。