什么是量子霸权？“霸权”与“优势”

谷歌公司表示，一台实验量子处理器在几分钟内完成了一台传统超级计算机需要1万年才能完成的计算任务，从而实现了里程碑式的技术飞跃。与此同时，谷歌还在《自然》（Nature）杂志上发表论文，正式声明自己以实现量子霸权。

但谷歌的竞争对手国际商业机器股份有限公司（IBM）连发驳斥，认为谷歌这是在炒作，两个科技界大佬在量子计算领域的争论瞬间成为热门话题。

什么是量子霸权？

网友们请放下你准备搜索的键盘，让我来解释一下“什么是量子霸权”。

Quantum Supremacy，中文翻译为量子霸权，这里的“霸权”并不是我们常理解的霸权主义的那个“霸权”，量子霸权属于专有名词，意思是在处理同一个问题时，量子计算拥有了超越所有经典计算机的计算能力，实现了量子计算机的特有优势。

实现量子霸权，将代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验，标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。当前实现量子霸权绝非易事，而且，实现量子霸权也只是一个开始，离实现实际的量子计算机尚有很大距离。

自 2011 年约翰·普瑞斯基尔（John Preskill） 教授在一次演讲中提出“量子霸权”的概念，IBM、Google、Intel、微软，以及一些创业公司就开始加大对量子计算的投资和研发；该领域的竞争也越来越激烈。

谷歌和IBM都已分别在2017年11月和2018年3月宣称实现了50个和72个量子位的原型机。但在物理实验上，此前还没有任何一台量子设备在实际实验中展现出这种能力。谁能够证明这种能力，谁就能号称实现量子霸权。

谷歌“自封”量子霸权？

根据量子物理学的理论，量子计算是高速信息处理的开发科技。现代计算机使用0或1比特(bit)为代表的电子或光学的脉冲流，只有“开”和“关”两种状态。

一台量子计算机存储数据方式是是“量子比特(Qubit)”，即电子或光子等亚原子颗粒，可以是介于0和1之间的任何状态。对这些亚原子颗粒的操控就能比普通二进制数据处理产生更强的计算力和更高的计算速度。

2019年9月底，谷歌提交给NASA的一篇论文被泄露，该论文声称谷歌已经能够利用一台 53 量子比特的量子计算机实现传统架构计算机无法完成的任务——在世界第一超算Summit需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。

据悉这份论文后来引发了较多争议，最终并未获学界认可。

创造出“量子霸权”这个术语的 John Preskill 教授警告，这一成果目前还仅存在于谷歌的论文中，并不代表量子计算机会在现实生活中有此等表现。

后来，这篇论文被 NASA 删除。有消息称，论文被删是因为谷歌的研究尚未经过同行评审和讨论就被 NASA 发表，这是不符合流程的。另一方面，谷歌和 NASA 都拒绝证实论文的真实性。

不过谷歌在2019年10月23日发布博客，称在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，其位于加州圣巴巴拉的研究实验室已经实现量子霸权，谷歌也成为世界上首个宣称实现“量子霸权”的公司。谷歌首席执行官桑德尔·皮查伊(Sundar Pichai)在文章中说，谷歌一共花费了13年的时间来达成这一突破。

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。量子比特与传统计算机的比特具有截然不同的特性，传统计算器只能在一个比特中表达“1”或者“0”，但由于量子效应，量子字节的位置、方向、动量等数值无法得到明确定义，因此能够同时表示“1”和“0”组成的叠加(superposition)状态。

根据谷歌CEO皮查伊文章，所以如果你有2个量子比特，就会同时有四种可能状态，这种计算状态会呈“指数级”增长。

IBM：我反对！

IBM也在努力实现这个目标，在这之前，谷歌已经凭借着庞大的量子计算机规模在竞争中处于领先地位。2018年，谷歌展示了73量子比特计算机，该计算器明显强于位列第二的竞争对手IBM在2019年9月18日公布的53量子比特研究成果。

IBM这次也马上对谷歌确立量子主宰地位的宣称提出了质疑，理由是一台现代计算机也可以在两天半的时间里同样理想地解决谷歌的问题，而不是谷歌宣称的一万年。

IBM指出，量子主宰地位只有在“量子计算机能够完成传统计算机无法完成的工作时”，才算确立。公司表示，谷歌完成了一次“可畏的挑战”，但并没有跨越那道门槛。

IBM 近日在 Arxiv 上发表了一篇由五名研究人员合著的论文来驳斥谷歌的观点。“我们敦促业界用质疑的态度来对待这一历史上的首次‘宣称’，即量子计算机能够实现经典计算机不能实现的任务。”IBM表示，“谷歌声称自己实现量子霸权的说法具有误导性，让人们以为自己进入了一个新的计算时代，而量子计算机和经典计算机之间的巨大差异并不会让两者分割，而是在未来协同工作。”

虽然，IBM 本次拆台谷歌看起来似乎是一个充满挑衅的举动，但 IBM 顶级量子研究人员兼量子计算总裁（也是本次论文的合著者之一）Jay Gambetta 表示，他们的动机主要是基于技术问题；更重要的是对“量子霸权”这种说法的不满，而不是存心与谷歌对抗。

谷歌：反对无效！

尽管IBM想要淡化谷歌的成就，不过科学研究界人士对此表示欢迎，《纽约时报》称科学家将此成果与莱特兄弟1903年的首次飞机飞行相提并论。

谷歌对此表示，尽管利用一台处理机完成一次计算可能是有限的，但这只是第一步。皮查伊也予以还击，并把首次实现“量子霸权”的意义与莱特兄弟的首次试飞相提并论。皮查伊表示：“人类的首架飞机飞行时间只有12秒，因此也不可能有实际的应用。但这证明了飞机飞行的可能性。”

也许在未来十年内，人们都无法看到量子计算机给世界带来实际的改变。但谷歌预测，量子计算机的潜在应用包括飞机和汽车轻量化电池的设计以及药物设计等。

谷歌也承认，量子计算机要实现必要的计算能力，还需要工程界和科学界很多年的努力。“但是我们看到了这条路是清晰的，并且会一致朝前走。”谷歌表示。

谷歌还表示，他们将尽快开发一款能够“容忍噪音和错误”的量子计算机。这种量子计算机原则上能够处理任何问题。理论上讲，它们需要更强大的处理器，能够包容更多的量子比特，而且为了达到纠错功能，还需要机器冗余。不过业内预计，要实现这样的技术至少还要等上10年左右。

业内怎么看？

一位量子信息技术的从业人员在接受第一财经采访时表示：“通过论文的预印本补充材料可以看出，谷歌用作对比的经典算法降低了经典计算机的‘智商’，是拿完全没有优化过的‘最笨’的算法来进行对比，因此有点夸大对比结果之嫌。”

如果像IBM所说的，经典计算机需要2.5天解决的问题，量子计算机用了200秒解决，这与谷歌宣称的一万年与200秒的对比，效果上打了不少折扣，也就是说量子计算机的优势并不那么明显。

但由于“量子霸权”并没有对量子计算机比经典计算机快多少做出定义，理论上只要量子计算机被证明快于经典计算机，都能被视为实现“量子霸权”。

麻省理工学院教授Peter Shor认为，量子计算机和经典计算机的速度是很难做比较的。“这就好像无法回答‘火车要比船快多少的问题’。”Shor教授在近期上海举行的一场墨子沙龙上表示，“这不仅仅取决于运输方式，还取决于目的地在哪里。”

Shor指出，公众的一个误区是往往局限于计算机的速度多快，而忽视了它的记忆和储存。他解释道：“量子计算机上的每一步几乎肯定要比传统计算机要复杂，但是量子计算机可以利用量子力学特性的算法，大大减少所需要的部署，从而加快计算的速度，这个是传统计算机所不具备的。”

对于量子计算机的商业化前景，谷歌表示：“对于量子计算的保守估计，投资者预计只能在长期获得回报。尽管如此，我们依然认为，随着小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起，短期的回报仍然是有可能的，虽然这些设备无法实现完全的纠错功能。”

“霸权”与“优势”

Quantum Supremacy 中的 Supremacy ，本身就有至高无上的意思，中文直接把它翻译为“霸权”也没毛病，把它的标准翻译为“称霸标准”，但是这较容易引发误会和反感。

毕竟称王称霸的，最后都没什么好下场。

就连 John Preskill 教授自己最近也开始反思“量子霸权”一词的不妥之处。

IBM 也提出了自己的意见，认为“霸权”和“实现量子霸权”等字眼会误导公众。首先，正如上文所提到的，真正的量子霸权尚未实现；其次，每种计算机都具有其独特的优势，因此，量子计算机也不会凌驾于传统计算机之上。所以在谷歌声称实现量子霸权的时候，IBM 也提出了另一个概念，叫做量子优势（Quantum Advantage），听起来是不是更好接受一点？

而学界认为，IBM 提出的量子优势，与量子霸权已经不属于一个概念范畴。量子优势针对的是真实的应用场景，展现出量子计算超越经典计算的能力。言下之意，就是量子优势不仅要体现出计算能力的碾压，还得催生出商业价值来。所以 IBM 的研究之路与谷歌又有所不同，主要是联合了多家大型企业研究部署量子计算云平台，快速实现商业价值。

两个名词的背后，是两个不同的研究方向，或者说两种不同的利益驱使。

不管是量子霸权也好，量子优势也好，没有人能预测它在什么时候到来，我们只需要知道，有关它的真实研究成果，最终影响的是国家乃至世界的量子技术发展格局。量子计算很有可能成为第四次工业革命的其中一个分支，所以各方大佬都很急，但急也没有用，重要的还是尊重科研规律。

编辑：hfy