【劃重點(diǎn)】

• 1谷歌研究人員在NASA官網(wǎng)上短暫發(fā)布的一篇研究論文顯示，谷歌量子計算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。
• 2實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”距離推翻現(xiàn)行加密技術(shù)還很遠(yuǎn)，傳統(tǒng)計算機(jī)和加密安全并沒有過時。
• 3業(yè)內(nèi)專家稱谷歌機(jī)器只是能夠以驚人速度解決精挑細(xì)選的問題，目的只是為了展示量子計算機(jī)的優(yōu)越性。
• 4現(xiàn)在量子計算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)，但“量子霸權(quán)”一詞可能會導(dǎo)致公眾對此期望過高。

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【編者按】谷歌表示其量子計算機(jī)的表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)計算機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。但事實(shí)上，量子計算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用落地還需要數(shù)年時間。

       谷歌最近“無意”中透露其創(chuàng)造了計算機(jī)科學(xué)的歷史。近年來，該公司與IBM和英特爾等科技巨頭在開發(fā)量子計算機(jī)方面展開了日益激烈的競爭，期望利用量子力學(xué)規(guī)律打造的量子計算機(jī)來解決某些復(fù)雜問題。谷歌一直期望自家開發(fā)的量子計算機(jī)原型能夠證明“量子霸權(quán)”，這也讓其得到了公眾的持續(xù)關(guān)注。“量子霸權(quán)”指的是量子計算機(jī)勝過經(jīng)典計算機(jī)的實(shí)驗(yàn)，谷歌相關(guān)領(lǐng)域的一位主要研究人員曾預(yù)測，該公司將在2017年達(dá)到這一里程碑。

       上個月，有消息稱谷歌已經(jīng)達(dá)到了這一里程碑。美國國家航空航天局(NASA)的官網(wǎng)短暫發(fā)布了一份研究報告草稿，谷歌研究人員在其中描述他們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。消息被媒體爆出幾個小時后，美國民主黨總統(tǒng)候選人安德魯·楊(Andrew Yang)發(fā)推文警告說，谷歌的量子計算機(jī)可能會推翻現(xiàn)行的加密技術(shù)。但量子計算領(lǐng)域的研究人員正試圖向全世界保證，傳統(tǒng)計算機(jī)和加密安全并沒有過時。

短暫出現(xiàn)在NASA官網(wǎng)上的文章

       很多專家對谷歌的最新進(jìn)展印象深刻。加州理工學(xué)院教授約翰·普萊斯基爾(John Preskill)早在2011年就創(chuàng)造了“量子霸權(quán)”一詞，稱這將是“實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中真正令人印象深刻的成就”。但他和其他專家、甚至是谷歌自己的論文都警告說，這個結(jié)果并不意味著量子計算機(jī)已經(jīng)為實(shí)際應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。

       “他們的機(jī)器只是能夠以驚人速度解決精挑細(xì)選的問題，目的只是為了展示量子計算機(jī)的優(yōu)越性，” 普萊斯基爾說。目前還不清楚量子計算機(jī)要多久才能投入商業(yè)使用，完全破解加密技術(shù)仍然是遙不可及。路易斯安那州立大學(xué)教授喬納森·道林（Jonathan Dowling）說:“這還需要很多年。”

勝過傳統(tǒng)設(shè)備的“量子霸權(quán)”實(shí)驗(yàn)

       由于量子計算機(jī)理論上能夠解決傳統(tǒng)計算機(jī)要花太多時間的復(fù)雜問題，谷歌和其他公司正在大力進(jìn)行相關(guān)研究。這種方法試圖利用數(shù)學(xué)來驗(yàn)證諸如光的波粒二象性等量子力學(xué)古怪之處。上世紀(jì)90年代研究人員就發(fā)現(xiàn)，這可能提供一種強(qiáng)大的計算處理新方法。貝爾實(shí)驗(yàn)室一名研究人員曾編寫出一種算法，通過量子計算機(jī)來破解長密鑰，顯示出這項(xiàng)技術(shù)可能會超越傳統(tǒng)計算機(jī)，此后人們對這一領(lǐng)域的興趣大增。

       最近，學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的研究人員紛紛制造出關(guān)于量子計算機(jī)的各種原型，并吹噓依靠其實(shí)現(xiàn)了各種化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)用例。這些設(shè)備如今已經(jīng)可以處理數(shù)據(jù)，但它們的算力仍然太小，而且容易出錯，難以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計算機(jī)的實(shí)際工作�？紤]到研究人員如何證明量子計算機(jī)確實(shí)比傳統(tǒng)計算機(jī)更有優(yōu)勢，普萊斯基爾在2011年的一次演講中創(chuàng)造了“量子霸權(quán)”這個詞。

       自那以后，谷歌、IBM、英特爾、微軟和一些初創(chuàng)公司都加大了對量子計算的投資。這似乎讓“量子霸權(quán)”的到來變得不可避免。道林說:“這是我們預(yù)料中的事情，遲早要實(shí)現(xiàn)。”

       造成這種預(yù)期的另一個原因是谷歌自己的研究人員也這么說。2017年，該公司量子硬件研究負(fù)責(zé)人約翰·馬提尼斯(John Martinis)就預(yù)測，他的團(tuán)隊(duì)將在當(dāng)年年底實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。谷歌、IBM和英特爾都已經(jīng)展示出大約50個量子比特的量子處理器，這些設(shè)備是量子計算機(jī)的基本組成部分，與專家預(yù)計能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權(quán)”的設(shè)備容量大小相當(dāng)。

谷歌如何實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”

       就像普通計算機(jī)中的比特一樣，量子比特也以1和0的形式表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。量子處理器的強(qiáng)大之處在于量子比特能夠達(dá)到一種稱為疊加態(tài)的狀態(tài)，從而能夠讓0和1形成更多種組合。

       至少在某些問題上，疊加態(tài)使得量子處理器上的量子能夠比特比等量比特實(shí)現(xiàn)更多種組合。當(dāng)加入更多的量子比特時，可能的組合會以指數(shù)形式增加。理想情況下，當(dāng)量子計算機(jī)有大約50個量子比特時，即使是現(xiàn)有最大的超級計算機(jī)也很難模擬這些量子比特所實(shí)現(xiàn)的算力。

       這種現(xiàn)象支撐著谷歌的“量子霸權(quán)”實(shí)驗(yàn)。其研究人員開發(fā)了一種名為Sycamore的量子處理器，該處理器包含54個量子比特，用來對量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出進(jìn)行采樣。同時，研究人員對一些強(qiáng)大的谷歌服務(wù)器集群以及橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Lab)的Summit超級計算機(jī)設(shè)定了同樣的計算問題。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Lab)的Summit超級計算機(jī)

       谷歌研究人員的論文稱，傳統(tǒng)計算機(jī)只能涉及這個問題的皮毛。研究人員在論文中聲稱，像Summit這樣的頂級超級計算機(jī)需要大約1萬年的時間才能實(shí)現(xiàn)Sycamore量子處理器在200秒內(nèi)完成的工作。

       正如普萊斯基爾所指出的那樣，這種比較并不公平。谷歌謹(jǐn)慎選擇了一個適合其量子硬件的問題，并在其論文中寫道，要實(shí)現(xiàn)量子計算所描繪的輝煌前景，仍然需要“技術(shù)上的飛躍”。道林和其他人估計，由于算法的復(fù)雜性，擁有數(shù)百萬個高質(zhì)量量子比特的設(shè)備才能威脅到現(xiàn)行的加密技術(shù)。

距離實(shí)用尚需時間

       德克薩斯大學(xué)(University of Texas)教授斯科特 阿倫森(Scott Aaronson)拒絕就谷歌論文的細(xì)節(jié)置評。但他表示，展示“量子霸權(quán)”仍是一個有用的標(biāo)志。他說:“雖然這只是一個概念證明，”“但在你能做有用的事情之前，你需要一個概念的證明。”

       谷歌及其競爭對手表示，量子計算機(jī)可能會做的實(shí)用性工作包括改進(jìn)化學(xué)模擬，用于電池設(shè)計和藥物研發(fā)等應(yīng)用，并推動機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展。摩根大通和戴姆勒等公司正在測試IBM的量子計算硬件，而美國國家航空航天局正與谷歌等公司合作，希望借助量子計算機(jī)完成任務(wù)調(diào)度或探測系外行星。

IBM的量子計算機(jī)原型

       目前尚不清楚量子計算機(jī)離完成這些任務(wù)還有多遠(yuǎn)。IBM研究主任達(dá)里奧 吉爾(Dario Gil)對谷歌的結(jié)果表示祝賀，但他也擔(dān)心“量子霸權(quán)”一詞可能會導(dǎo)致量子計算研究領(lǐng)域之外的人對此期望過高。他表示:“我們需要制造更有實(shí)用價值的機(jī)器，但不是現(xiàn)在也不是明年。”“這仍需要一些時間。”（皎晗）