欧、美、中、日“量子霸权”争夺，谁更先进，谁更实用？

据TechCrunch的消息，亚马逊云（AWS）在2019年12月3日宣布了其量子计算机服务Braket预览版发布。Braket目前是由D-Wave、IonQ和Rigetti三家量子计算公司提供硬件，AWS云提供量子计算系统，四家公司共同合作的结果。
目前，亚马逊并没有在自己的数据中心安装这些量子计算机，而是提供了一种统一的方式来访问这些量子计算机。Braket为开发者提供了一个标准的、完全管理的Jupyter记录薄环境，用于探索他们的算法。当然，他们也会提供一些预装的开发工具、示例算法和教程，帮助新用户开始实用混合和经典量子算法。

图1：D-Wave的2000Q量子计算处理器。

此外，亚马逊还在加利福利亚理工学院附近建立了AWS量子计算中心和量子解决方案实验室。估计以后亚马逊也会制造自己的量子计算机硬件，而且亚马逊量子计算负责人 Simone Severini 也证实公司正在开发量子硬件，但没有透露任何细节。

图2：Rigetti量子计算公司生产的量子计算处理器。

其实在亚马逊之前，微软在11月美国佛罗里达州奥兰多市举办的2019年度Ignite大会上也宣布了计划推出Azure Quantum云计算服务，为部分客户提供3台量子计算机原型机的接入服务。这3台原型机分别来自工程巨头霍尼韦尔(Honeywell)和两家初创公司——美国马里兰大学科学家创立的量子计算初创公司IonQ，以及耶鲁大学科学家创立的量子计算初创公司Quantum Circuits,Inc(QCI)。
Azure Quantum会将微软之前发布的量子编程工具与其云服务整合在一起。编码器可以在模拟的量子硬件上运行量子代码，也可以在霍尼韦尔、IonQ或QCI的真实量子硬件上运行量子代码。
当时，微软宣称Azure Quantum服务将会在未来几个月内推出。当然，与亚马逊一样，微软目前也还没有自己的量子计算硬件。
在微软宣布推出量子计算云服务的前一周，即10月23日，谷歌在《Nature》发表了一篇名为《使用可编程超导处理器的量子霸权》论文，演示了其量子计算机在约三分钟内生成了约100万个随机数据串，而全球运行速度最快的传统超级计算机需要一万年才能完成这个任务。据谷歌发布的消息，他们本次实现了53个“量子比特”，解开了超级计算机再怎么进步也很难解开的问题，证实了“量子霸权”。

图3：谷歌《使用可编程超导处理器的量子霸权》论文中演示的量子霸权。

不过在谷歌论文发出不久，量子计算的另一个核心玩家IBM就发博客说谷歌的说法有误导性，计算方式有Bug，现代超算根本不需要花费那么长的时间。而且用自己的方法在超算上花了两天半的时间就完成了谷歌之前说需要一万年才能完成的相同计算任务。
其实IBM自己也有一台53量子比特的量子计算机，而且已经开放给外部用户使用。在IBM位于纽约州的新量子计算中心，目前拥有14个量子计算系统，其中包括新的53量子比特的系统、5个20量子比特的系统、1个14量子比特的系统、以及4个5量子比特的系统等。

欧美、中、日在量子领域大力投入

除了美国，中国在很早之前就开始了量子计算机的研制，而且近年来，中国将量子通信和量子计算机定位为重大项目。中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟院士认为，目前量子计算机还处于比较初级的阶段，但它的研制在快速发展中，中科院量子信息与量子科技创新研究院与谷歌和IBM一样都处于世界第一阵营。他承认，目前谷歌的量子计算机处于领先地位。
他预计中国在明年有望实现对50个量子的操纵。在超导量子计算研究的进展方面，近期可以实现30个超导量子比特的纠缠。
欧美和中国正在国家和企业层面上战略投资量子技术，其中美国制定了《量子信息科学国家战略概述》，自2019年起，5年里最多投入13亿美元，将建设约10个研究和人才培养基地。欧盟启动了10亿欧元规模的项目，德国、英国和荷兰等国也敲定了自主投资计划。
看到欧美和中国的动作后，日本也开始了追赶之路，据《日经中文网》报道，日本力争今后20年实现量子计算机实用化，且已经将量子技术定位为与人工智能和生物技术并列的重要领域，计划在今年内会拟定首个开发战略。根据进度表，日本将以到10年后为目标开发出量子位达100个的量子计算机。之后将进一步增加数量，提升计算精确度，力争2039年前后实现实用化。
此外还将推进无法窃听能够安全通信的密码技术、在无法使用全球卫星定位系统（GPS）的水中准确获知位置的传感器等开发。
战略中除了5年间增加5处以上国际性研发基地外，还提出了10年间成立逾10家以量子技术为核心的创新企业的目标。本年度日本量子技术相关预算约为160亿日元，下年度力争几乎翻番。
大家都知道，要实现真正的量子计算机还需要时间。现在的量子计算机只能跑一些固定的程序和算法，并没有多大的实用性和商用价值。
在世界范围内，谷歌、IBM和中国的阿里巴巴集团等都在积极推进量子计算机的开发。这是一个属于未来的技术，那量子计算机到底可以用在哪些方面呢？它可以用来做什么？

量子计算机可以用来做什么？

与传统计算机相比，量子计算机利用的是量子态的叠加等性质，可以实现计算能力的飞跃。因此，在密码破解方面量子计算机拥有独特的优势。
比如，现在通讯时对密码等信息进行加密，即使是最新的超算，也需要很长时间才能破解，因此加密被视为“安全”。但量子计算机有可能破解这种加密。
拿RSA加密算法举例来说，它是一种广泛被用于保护信息安全的算法，它利用计算机都很难快速完成的因数分解来进行加密。如果给你一个数字10，你立刻就可以告诉我它可以被分解为2和5两个素数的乘积，但是如果我给你的数字是62615533，你应该无法通过心算告诉我它是哪些素数的乘积。
这不能怪罪于你的心算能力。一旦数字足够大，计算机也无能为力。如果给出一个4000位的数字，即使是让现存的计算机运行和宇宙年龄一样长的时间也无法将它分解成一系列素数的乘积。但如果是量子计算机来处理的话就能轻易破解。
跟RSA加密算法类似，其他的加密算法也一样在量子计算机面前不堪一击。伦敦加密货币公司Post Quantum的首席执行官安德森·郑（Andersen Cheng）甚至担心，量子计算机可以在三年内破解区块链。量子计算公司IonQ的首席执行官斯图尔特·艾伦（Stuart Allen）也预计，量子计算可能会在十年内成为区块链的问题。
除了在密码学领域，量子计算机在化学、生物和制药领域也可以大展身手。比如，为了设计一种新药，一个明智的选择就是在计算机上模拟它的行为。困难在于分子是由很多粒子组成的，而这些粒子全部遵循量子力学的规律。我们知道，随着粒子数的增长，描述分子系统所需的信息量呈指数增长，这使得计算变得异常困难。面对相对小的分子，最好的经典计算机在模拟分子的量子动力学性质时也显得无能为力，但量子计算机却可以胜任这项工作。
此外，量子计算机在金融市场的风险预测、提高物流效率和解决城市交通拥堵方面也有很大的优势。

基于现有计算机器件的量子计算机？

上面的这些量子计算机都是超导量计算处理器来实现的，但 <电子发烧友>在高交会上见到了一家深圳的公司展示了一款叫做薛定谔计算机的样机。
据现场的工作人员介绍，他们这款计算机采用的就是传统的CPU、GPU、硬盘、内存等器件，但使用特定的计算架构，可以实现基于本征态的多位逻辑量子比特表示模型，他们自己设计的数字量子计算算法，定制了量子数字操作系统和新型量子数字数据存储模型和量子数字数据库系统。该计算机就基于SDN全交换网络计算体系，实现了逻辑量子比特位的弹性收缩，可以支持量子计算资源无线扩展和计算能力弹力扩充的分布式量子计算网络。

图4：薛定谔计算机

据现场工作人员解释，谷歌、IBM，以及D-Wave等初创的量子计算机企业的量子计算机都是基于超导量子计算处理器的，稳定性很不好，而他们基于现在传统计算机器件的薛定谔计算机则避开了这个不足。
对于这个计算机的性能，<电子发烧友>只在现场见工作人员演示了破解128位密码的速度。