爭(zhēng)議量子霸權(quán)

王雨菲

2019年有兩件事，把量子計(jì)算推向了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

一個(gè)是IBM公司在年初的國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（下稱CES）上，展出了最新的量子計(jì)算機(jī)模型，把這項(xiàng)科技成果引入大眾視線;另一個(gè)，則是谷歌在《自然》雜志上發(fā)文，宣告“量子霸權(quán)”，還因此引發(fā)了一系列口水戰(zhàn)。

量子計(jì)算風(fēng)頭正勁

2019年1月9日，IBM的最新量子計(jì)算機(jī)被封在2.3米高的玻璃展示柜中展示，不少媒體稱其看起來(lái)像一件精致的藝術(shù)品。當(dāng)時(shí)，IBM宣稱這臺(tái)藝術(shù)品一般的Q System One量子計(jì)算機(jī)，是“世界上第一個(gè)為科學(xué)和商業(yè)用途而設(shè)計(jì)的，完全集成的通用量子計(jì)算系統(tǒng)”。

其實(shí)所謂“商用”，IBM傳達(dá)的只是：把以往被關(guān)在數(shù)十平方米計(jì)算中心里的量子計(jì)算系統(tǒng)，做到了能夠一體化交付的狀態(tài)。但因其運(yùn)行條件苛刻、冷卻設(shè)備復(fù)雜，以及實(shí)用性缺乏等限制，它離真正意義上的商用還相去甚遠(yuǎn)。

谷歌宣告“量子霸權(quán)”更受矚目。2019年10月23日，英國(guó)《自然》雜志上，谷歌發(fā)表了一篇標(biāo)題為《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》（用可編程超導(dǎo)處理器實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán)）的論文，向世人宣告谷歌突破性成果，助其率先實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。

論文提到，谷歌團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款由54個(gè)量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為“Sycamore”（譯為：西克莫）。在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的專屬任務(wù)——對(duì)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行采樣的測(cè)試中，Sycamore約200秒的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了100萬(wàn)個(gè)樣本（測(cè)試中有一個(gè)量子比特?zé)o法有效工作，實(shí)際只用了53個(gè)量子比特）。而據(jù)谷歌稱，這一任務(wù)由一臺(tái)尖端的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)完成需要約1萬(wàn)年。

“量子霸權(quán)”了嗎？

量子計(jì)算到底是什么？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心主任金賢敏教授接受《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》采訪時(shí)介紹稱，量子計(jì)算機(jī)的思想可以追溯到20世紀(jì)80年代初。1981年，著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼在麻省理工學(xué)院發(fā)表題為“Simulating Physics with Computers”（用計(jì)算機(jī)模擬物理）的演講，提出了利用量子特性來(lái)模擬物質(zhì)世界中的實(shí)際問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)并行高效計(jì)算求解的設(shè)想。

金賢敏教授解釋道，“量子”不是一個(gè)具體的粒子，而是泛指各種滿足量子力學(xué)規(guī)律的體系。經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過(guò)集成電路中電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)0和1的區(qū)分，量子計(jì)算機(jī)的量子比特則通過(guò)量子的兩態(tài)體系來(lái)表示0或1。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中比特非0即1不同，量子比特是量子態(tài)疊加，它可以同時(shí)既是0又是1。它天然的并行性，對(duì)于很多計(jì)算任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)加速效果。

量子霸權(quán)又是什么？

“量子霸權(quán)”（Quantum Supremacy）一詞，最早由美國(guó)理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）創(chuàng)造。2012年，他在《Quanta》 （量子）雜志中將“量子霸權(quán)”定義為：當(dāng)量子計(jì)算機(jī)做到了經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的事情時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，無(wú)論所做的任務(wù)是否有實(shí)際意義。

約翰·普雷斯基爾認(rèn)為，按照谷歌論文中的說(shuō)法，已滿足了他當(dāng)初表達(dá)的“量子霸權(quán)”狀態(tài)。只是這個(gè)詞本身，一方面由于“霸權(quán)”所帶有的政治色彩歧義而被誤解;另一方面加劇了對(duì)于量子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的過(guò)度炒作。

金賢敏也認(rèn)為，谷歌論文中的成果符合“量子霸權(quán)”的定義，是人類計(jì)算能力發(fā)展史上可圈可點(diǎn)的里程碑。但是，目前用來(lái)演示所謂“量子霸權(quán)”的代表性任務(wù)，只是以一種非常特殊的方式解決了一個(gè)非常具體的問(wèn)題，金賢敏強(qiáng)調(diào)，“相比只是展示隨機(jī)電路采樣這樣一個(gè)特定的優(yōu)勢(shì)算法，如何拓展挖掘更多更全面的實(shí)用量子加速算法更加具有廣泛和實(shí)際意義?！?p>

無(wú)獨(dú)有偶，英特爾研究院院長(zhǎng)理查德·烏利格（Richard Uhlig）也曾表示：“我認(rèn)為量子計(jì)算真正的目標(biāo)不是達(dá)成量子霸權(quán)，而是實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性?！?h3>你可能不知道的中國(guó)量子計(jì)算

量子計(jì)算吸引著全球的科技巨頭，各國(guó)都看好量子計(jì)算的潛力。我國(guó)的科研人員和企業(yè)自然不會(huì)例外，近年來(lái)在多個(gè)技術(shù)路徑上探索。

2016年印發(fā)的“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，將量子通信與量子計(jì)算機(jī)列入“科技創(chuàng)新2030——重大項(xiàng)目”中;2017年“十三五”國(guó)家基礎(chǔ)研究專項(xiàng)規(guī)劃中，量子通信與量子計(jì)算機(jī)被列為“事關(guān)我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重大科技戰(zhàn)略任務(wù)”的首位。

此外，2020年計(jì)劃開(kāi)放安徽省合肥市量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，這將是世界上最大的量子研究機(jī)構(gòu)。從我國(guó)量子計(jì)算研究領(lǐng)域現(xiàn)狀來(lái)看，金賢敏稱，中國(guó)是量子計(jì)算的重要玩家，有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)外頂尖團(tuán)隊(duì)實(shí)力相近。

最新消息顯示，2019年年底，潘建偉等與德國(guó)、荷蘭的科學(xué)家合作，首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，這是國(guó)際上最前沿的紀(jì)錄。金賢敏補(bǔ)充道，發(fā)展光量子芯片技術(shù)，可以通過(guò)芯片上構(gòu)建幾百甚至幾千的模式數(shù)來(lái)拓展量子計(jì)算資源，同樣可以在諸如玻色采樣等任務(wù)中演示所謂“量子霸權(quán)”，或者我們國(guó)內(nèi)更常說(shuō)的“量子優(yōu)越性”。

借鑒國(guó)外“產(chǎn)學(xué)研用”的合作方式，國(guó)內(nèi)首個(gè)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2019年12月12日正式成立。聯(lián)盟主導(dǎo)者是我國(guó)第一家以量子計(jì)算機(jī)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的初創(chuàng)型公司本源量子。據(jù)本源量子副總裁張輝介紹，聯(lián)盟伙伴囊括高校、研究機(jī)構(gòu);應(yīng)用面或是產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，如人工智能、生物醫(yī)藥、區(qū)塊鏈、低溫制冷等領(lǐng)域;以及量子計(jì)算方向的同行。

我國(guó)幾大科技公司近年來(lái)同樣先后布局了量子計(jì)算。阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了量子計(jì)算云平臺(tái)，并推出了量子模擬器“太章”;百度研究院量子計(jì)算研究所開(kāi)展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究;騰訊量子實(shí)驗(yàn)室在量子AI、藥物研發(fā)等領(lǐng)域展開(kāi)研究;華為也推出了HIQ量子云平臺(tái)和“昆侖”量子計(jì)算模擬一體機(jī)。

大勢(shì)所趨 未來(lái)將來(lái)

阿里達(dá)摩院發(fā)布的2020十大科技趨勢(shì)中，趨勢(shì)七就是量子計(jì)算進(jìn)入攻堅(jiān)期。阿里達(dá)摩院認(rèn)為，目前量子計(jì)算正處于從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變之中。2020年量子計(jì)算將蓬勃發(fā)展，主要特點(diǎn)是技術(shù)上攻堅(jiān)和產(chǎn)業(yè)化的加速階段。

技術(shù)方面，谷歌在硬件上的進(jìn)展大大增強(qiáng)了行業(yè)對(duì)超導(dǎo)路線的樂(lè)觀預(yù)期，也對(duì)其他如光量子、離子阱等硬件路線造成嚴(yán)峻壓力。阿里達(dá)摩院預(yù)測(cè)，2020年多個(gè)追趕者“或做出令人欽佩的復(fù)制性結(jié)果，或陷入高度復(fù)雜的工程噩夢(mèng)”。

作為兩個(gè)最關(guān)鍵的技術(shù)里程碑，容錯(cuò)量子計(jì)算和演示實(shí)用量子優(yōu)勢(shì)將是量子計(jì)算實(shí)用化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

容錯(cuò)量子計(jì)算是指通過(guò)量子糾錯(cuò)，避免硬件錯(cuò)誤的累積。量子計(jì)算初創(chuàng)公司Xanadu把量子計(jì)算的應(yīng)用前景歸納為量子優(yōu)化、量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)和量子金融四方面。具體可以用來(lái)解決物流供應(yīng)鏈最優(yōu)路線、快捷準(zhǔn)確醫(yī)療診斷、優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)搜索、量子人工智能、藥物與新材料發(fā)現(xiàn)、高效風(fēng)險(xiǎn)分析和投資決策金融服務(wù)等實(shí)際問(wèn)題。

就在不久前的2020年CES展臺(tái)上，福特展示了其智能汽車服務(wù)的宏偉愿景。通過(guò)與微軟合作，采用量子計(jì)算啟發(fā)的算法，模擬在20秒內(nèi)，將統(tǒng)籌優(yōu)化的路線建議傳遞給每輛車，從而實(shí)現(xiàn)整體擁堵減少73%。

產(chǎn)業(yè)和生態(tài)方面，政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的規(guī)劃和投入將升級(jí)、擴(kuò)大。僅從2019年的公開(kāi)信息就能看出，美國(guó)、印度、德國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)家先后投入上億元人民幣，支持本國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)。我國(guó)的量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也將于2020年迅速發(fā)展壯大。

責(zé)編：陳棟棟? chendongdong@ceweekly.cn

美編：孫珍蘭