美國宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”
2019年10月23日，谷歌的重磅工作“利用可編程超導處理器實現(xiàn)量子霸權(quán)”被正式刊文介紹。該文表示谷歌開發(fā)出的一款54量子比特的超導量子芯片“Sycamore”對隨機量子線路采樣100萬次只需200秒，而目前最強的傳統(tǒng)超級計算機Summit要得到類似的結(jié)果需要長達1萬年。
不過IBM表示，summit的缺點是內(nèi)存不足，但運算能力并沒有谷歌說的那么不堪——通過使用內(nèi)存和硬盤混合存儲的方案，Summit可以在60個小時的時間內(nèi)完成Sycamore的100萬次采樣，而不是1萬年，谷歌低估了Summit的計算能力！但60小時畢竟也是200秒的1080倍，這個結(jié)果無疑已經(jīng)證明了Sycamore的能力，這也是量子計算首次戰(zhàn)勝傳統(tǒng)計算！
谷歌量子計算機Sycamore
一石激起千層浪。該消息像核彈爆炸一樣迅速席卷全球，物理學界的科學家們議論紛紛。谷歌公司驕傲地宣布：谷歌已實現(xiàn)“量子霸權(quán)”！
“量子霸權(quán)”指的是什么呢？一般認為，如果量子計算機在“某些特定問題”上（例如上文提到的隨機量子線路采樣）的計算能力超過了傳統(tǒng)計算機，那么就被認為實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。專家估計，如果量子計算機能操控超過49個量子比特，其在某個特定問題上的計算速度就有可能超過包含超級計算機在內(nèi)的任何傳統(tǒng)計算機。
“某些特定問題”指的是經(jīng)過精心設計，非常適合于量子計算設備發(fā)揮其計算潛力的問題。目前，這些問題只是為數(shù)甚少的無任何實際意義的特殊問題。所以當我們驚呼量子計算機飛速發(fā)展的同時，我們也應該明白，現(xiàn)在量子計算還無法解決任何一個有應用價值的問題。只是其巨大的應用潛力，使得各個國家都不敢懈怠。
量子比特可以既為1又為0
如果讓你在一只蒼蠅、一只魚、一只鷹還是一個孫悟空中選擇，你會選哪一個？你肯定選孫悟空！孫悟空可以變成其他三種動物，一個就可以頂仨還不占地方。其實相對于傳統(tǒng)計算機而言，量子計算機就真的可以算得上是百變的孫悟空！為什么這么說呢？這得從“比特”二字談起了。
什么是比特呢？比特是二進制數(shù)字中的位，例如二進制數(shù)字“010”，它的位數(shù)就是3比特。二進制數(shù)字的每一位只能為“0”或者為“1”，這恰好與電子計算機的電路結(jié)構(gòu)相吻合——由二極管和三極管組成電子元器件在面對不同的電流時，只能存在兩種狀態(tài)——導通或者不導通。導通意味著電流能流過，執(zhí)行該命令，這種狀態(tài)我們用“1”來表示；不導通意味著電流不能流過，不執(zhí)行該命令，用“0表示”。所以電子計算機是二進制的。
那么，什么是命令呢？比如我們現(xiàn)在進行一則加法運算， 假設“加1”是某個步驟的一個命令。當計算機運行到該步驟時處于“1”狀態(tài)，它就會執(zhí)行“加1”這個命令，處于“0”狀態(tài)，不執(zhí)行這個命令。計算機運行一串復雜的指令，其步驟就是按順序運行一個個“1”和“0”的小命令。每一串指令的運行步驟都是明確且固定的，計算機一次也只能運行一串指令。
量子計算機的特殊之處在于，它不是由二極管或者是三極管組成，而是由具有處于量子態(tài)的粒子（如光子、電子或者原子）組成。命令是否執(zhí)行的方式也不再是電路導通和不導通，而是選取了粒子的某個兩態(tài)體系——例如光子的兩個正交的偏振方向、磁場中電子的上下自旋方向、核自旋的兩個方向、原子中量子處在的兩個不同的能級等，規(guī)定當粒子處于其中一個狀態(tài)時，命令執(zhí)行，這個狀態(tài)也就是“1”。而當粒子處于另一個狀態(tài)時，命令不執(zhí)行，這個狀態(tài)也就是“0”。量子計算機神奇之處就在于此，電路導通和不導通是確定的，然而粒子的量子態(tài)卻不是確定的！
態(tài)疊加原理
根據(jù)量子力學的不確定原理，它有一個疊加態(tài)。疊加態(tài)的意思是各個態(tài)的疊加狀態(tài)，這意味著在任意時刻粒子的狀態(tài)都是不確定的，每種狀態(tài)的存在都有一定的概率。拿電子自旋方向舉例，假設電子自旋向上的概率為70%，自旋向下的概率為30%，那么某一時刻電子自旋的狀態(tài)為向上狀態(tài)和向下狀態(tài)以7:3的比例疊加的狀態(tài)。
因為粒子的量子態(tài)是瞬間變化的，所以量子計算機的指令也是瞬間變化的。例如“10”這個指令，在傳統(tǒng)計算機中，它僅僅為指令“10”。但是在量子計算機中，由于這2個量子比特的狀態(tài)都是可以變的，你只能說在這個瞬間指令處于“10”狀態(tài)。但幾乎在同一瞬間，這個指令已經(jīng)分別變成了“11”“01”“00”——我們甚至可以認為“10”“11”“01”“00”這四個指令是等效的，也就是說指令“10”和其他三個指令都代表了以上四種狀態(tài)。
所以，在傳統(tǒng)計算機里，一個n位比特的指令就僅僅為一個指令，但如果量子計算機里，由于每一位量子比特都在2種狀態(tài)中來回切換，所以一個n位量子比特的指令一共包含2n個指令。一個就能代表2n個，可想而知，量子計算機需要存儲的指令遠小于傳統(tǒng)計算機。這可比孫悟空要厲害多了！
更可怕的是，這2n個指令是可以同時執(zhí)行的。從這一點上來說，傳統(tǒng)計算機的落后就遠不是內(nèi)存的問題了。你想一下，兩個“武林中人”打架，一個使用“傳統(tǒng)”武術，另一個使用“量子”武術。他們兩個人同時沖拳，使用“傳統(tǒng)”武術的人一次只能打出一種拳，但是使用“量子”武術的人打出的拳瞬間化為成千上萬種拳法打向了對手。可想而知，“傳統(tǒng)”武師必然敗于“量子”武師。
如何測量疊加的量子態(tài)？
想象一下你剛?cè)胱⌒路?，從傳統(tǒng)的角度，你會獲得一串房間里各個鎖的鑰匙，而從量子力學的角度，你會獲得一把包含所有開鎖功能的“萬能鑰匙”。當有一天你忘記哪一把鑰匙是大門的鎖的鑰匙了，你不用一把一把的試鑰匙，你只需要將這“萬能鑰匙”插進去，“萬能鑰匙”瞬間同時進行成千上萬種嘗試，大門的鎖立刻就能被打開。
量子比特是一種疊加態(tài)，它既可以是“1”也可以是“0”。還沒有測量時，我們是不知道它是什么狀態(tài)的。但我們要想利用它，就必須能夠在任意瞬間知道它是“1”還是“0”。所以，測量量子比特的狀態(tài)，變成了量子計算需要解決的第一個問題。就像上文的例子，你雖然打開鎖了，但是你想知道這把鑰匙是用哪一種方式把鎖打開的。
然而，量子態(tài)是“有脾氣”的。就像一個川劇變臉的表演者，當他在快速變臉時，你無法看清楚某一時刻到底是哪一張臉。但是當你叫停，準備觀察其中某一張臉時，他可能就會生氣不再表演了，因為你破壞了他表演的“興致”。同樣的，量子態(tài)也有這樣的脾氣，一旦外界對粒子進行干擾，粒子很可能就永遠的固定為一個狀態(tài)，不再改變。這就是說，一旦你對粒子進行測量，粒子的量子體系就可能會被破壞，粒子就永遠固定為一個狀態(tài)。
有人常問：為什么宏觀世界看不到量子現(xiàn)象，其實就是外界的干擾太大了！在量子世界，我們可不想出現(xiàn)這種情況，所以如何進行測量得到所需要的信息的同時，需要避免測量的干擾使得這把“萬能鑰匙”變成特定的“普通鑰匙”。
量子計算的難點
量子力學誕生后的很長一段時間內(nèi)，制造并測量一個處于量子態(tài)的粒子是一個難以解決的問題。這需要科學家們將一個粒子孤立出來，避免其受到外界環(huán)境的干擾。同時還得對其進行測量，證明其是否處于量子態(tài)。孤立粒子已經(jīng)是一件困難的工作，而測量更是難上加難，因為測量不當就意味著科學家將會破壞自己制造的量子態(tài)。
幸運的是，有兩位天才的實驗物理學家各自獨立地做到了這一點，而這兩位科學家也因此獲得了物理學領域的最高殊榮——2012年的諾貝爾物理學獎。這兩位科學家就是法國物理學家塞爾日·阿羅什和美國物理學家大衛(wèi)·維因蘭德，他們分別在實驗室中制造單個光子和單個離子，并測量了它們的量子態(tài)。阿羅什和維因蘭德的工作都是至關重要的，他們?yōu)榱孔佑嬎愦蛳铝说旎缘募夹g基礎。
然而，量子計算機可不會只擁有一個量子比特。目前最先進的谷歌的54位量子比特芯片Sycamore已經(jīng)能夠操控53個處于量子態(tài)的粒子（54位量子比特理應對應54個粒子，但Sycamore的一個粒子失效了）。而在此之后，量子計算機的比特數(shù)將會增大到幾百甚至上千個，避免某些粒子失效的難度會加大。
同時需要提到的一點是，量子計算機的粒子可不是簡單的疊加，相反，它們之間的狀態(tài)會形成某種聯(lián)系，我們稱之為“量子糾纏”。量子計算機之所以能運行得如此之快，除了“態(tài)疊加原理”使得單個粒子的狀態(tài)在不斷改變，使得眾多指令達到“同時運行”的效果外，“量子糾纏”是另一個重要因素。“量子糾纏”通俗地講就是粒子之間發(fā)生了相互作用，它們的狀態(tài)會相互影響，并且同時改變。一旦各個粒子之間實現(xiàn)“量子糾纏”，量子體系便會實現(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的效果——一個粒子狀態(tài)改變，其他粒子的狀態(tài)也瞬間跟著改變。這使得量子體系的反應時間大大縮短。然而，量子糾纏的實現(xiàn)也是一件相當困難的事情。
中美之間你追我趕
2009年，美國耶魯大學羅伯特·斯科爾科夫教授領導的團隊開發(fā)出了人類第一款固態(tài)量子處理器，這款處理器的量子比特的位數(shù)少的可憐，只有2位。但這款處理器的研發(fā)是極其不容易的，因為進行量子計算需要時間，這要求粒子的量子態(tài)必須能存活得足夠久。在此之前，科學家甚至無法使粒子量子態(tài)的存活時間超過十億分之一秒，而耶魯大學的團隊將這個時間延長到了百萬分之一秒，這足夠耶魯大學的團隊做一些計算。這款量子處理器幫助人類實現(xiàn)了重大突破——人類首次使用2位量子芯片進行了簡單的數(shù)學運算，并進行了第一次成功的量子信息處理演示。這標志著人類向建立第一臺量子計算機的方向邁進了關鍵性一步。
很長的一段時間內(nèi)，IBM公司在量子計算領域的技術領先全球，并一直在奮力追求“量子霸權(quán)”。2015年4月IBM完成了4個量子比特芯片的構(gòu)造，2016年5月IBM宣布成功制造5量子比特的量子處理器，并“大方地”將這款量子處理器提供給公眾試用。但憑借著龐大的財力支撐，互聯(lián)網(wǎng)巨頭谷歌對于量子計算的研發(fā)迅速趕超IBM。就在IBM公開其5量子比特的處理器后不久，谷歌宣布一款擁有9量子比特的處理器誕生。谷歌的9量子處理器一躍成為全球最先進的量子計算機處理器。2017年5月1號，谷歌雄心勃勃地宣布最快在2017年底前推出50個量子比特的處理器。
令人驚喜的是，我國也沒有在量子計算領域落后太多，甚至還曾一度達到領先水平！2017年5月3日，中國科學技術大學潘建偉的團隊在上海宣布，全球首個10量子比特處理器在中國誕生，其運算速度比最優(yōu)秀的同類量子計算機快24000倍！不過這第一把交椅我國沒坐多久就被IBM奪走了——IBM很快推出了16和17位量子比特的量子處理器，同時也表示IBM研發(fā)團隊正在向50位量子比特處理器進發(fā)！這個目標也很快就實現(xiàn)了。
IBM于2017年11月宣布成功制備50位量子比特的量子處理器，谷歌更是于2018 年3月宣布成功制備72 位量子比特的量子處理器Bristlecone。50位和72位已經(jīng)超過了理論上的可以達到“量子霸權(quán)”的49位，但當時IBM和谷歌并沒有宣布實現(xiàn)量子霸權(quán)。兩家公司甚至沒有公布相關的測試數(shù)據(jù)，這極有可能是因為技術不可靠導致處理器不穩(wěn)定或者難以使用。目前，經(jīng)過嚴格的同行評議并正式在國際學術期刊公開發(fā)表的最可靠的量子處理器是谷歌的9量子位超導芯片和我國的10量子位超導芯片。
更多的量子計算開發(fā)者
谷歌進行了另一種嘗試，摒棄了Bristlecone的制作方法，采用了一種全新的架構(gòu)，制作出了可靠穩(wěn)定的54位量子比特處理器Sycamore，并宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。目前Sycamore正在被同行審閱當中。
面對谷歌的開拓嘗試，我國的科學家團隊也不甘人后，以中國科學技術大學、浙江大學和中國科學院物理所等為代表的單位先后創(chuàng)造了12個和18個量子比特糾纏的新紀錄，在國際上已經(jīng)躋身一流的研究團隊。2019年8月9日，由浙江大學、中科院物理研究所、中科院自動化研究所、北京計算科學研究中心等國內(nèi)單位組成的團隊通力合作開發(fā)出的具有20個超導量子比特的量子芯片被正式公布。量子計算專家朱曉波說，我們正在攻克實現(xiàn)50位量子比特處理器的技術。
谷歌、IBM和中國的中科大等研究所是量子處理器研發(fā)的佼佼者，研發(fā)量子計算的硬件需要十分先進的技術，但如今量子計算研究領域已經(jīng)全面開花，各個商業(yè)巨頭和政府都在投入巨額資金進行關于量子計算硬件和軟件的研究。2015年年底，歐洲空中客車集團于年底在英國威爾士紐波特建立了一個團隊，空中客車集團表示不會開發(fā)自己的硬件，只是希望使用現(xiàn)有的量子計算設備解決航空航天工業(yè)中需要處理和存儲大量數(shù)據(jù)的問題。2015年7月，阿里巴巴的阿里云云計算部門和中國科學院在上海建立了一個名為阿里巴巴量子計算實驗室的研究機構(gòu)，在2018年2月，阿里巴巴推出了具有11個量子比特的云量子計算服務。諸如此類，商業(yè)巨頭參與量子計算領域研發(fā)的例子數(shù)不勝數(shù)。
目前中美之間的量子計算的技術差距，美國領先中國一個身位，還未形成代差。如果經(jīng)過合理發(fā)展，中國極有可能在未來幾年內(nèi)趕上世界先進水平。
