在讓外界猜測了數週之後，谷歌公司終於在著名的《自然》（Nature）雜誌上發表了一篇論文，聲稱自己已經取得了“量子霸權”。我們為什麼要關心量子霸權？量子霸權意味著什麼？在谷歌發表的論文中，谷歌人工智能科學家團隊聲稱，他們的量子計算機“Sycamore”能在短短3分20秒內完成一項驗證大數字隨機性的任務。

研究團隊表示，世界上最強大的超級計算機需要一萬年才能完成同樣的任務。

經典計算機——從筆記本電腦到倉庫大小的超級計算機——的運算只用到1和0，但Sycamore這樣的量子計算機，使用的是量子比特（通常稱為量子位）來進行運算。一個量子位可以同時是0和1，而不是兩種可能性二選一。

這意味著，當擁有的量子位越多，計算機的運算能力就會呈指數級增長。根據谷歌今天上傳的一段視頻，谷歌的Sycamore量子計算機擁有52個量子位，一次可以看到1000億個狀態。那可是相當龐大的運算量。

那麼，是什麼讓Sycamore比經典計算機更高效呢？美國理論物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在2012年首次創造了“量子霸權”（quantum supremacy）一詞。在早些時候為《量子》（Quanta）雜誌撰寫的一篇專欄文章中，他將其定義為“當量子計算機可以做到經典計算機做不到的事情時的關鍵節點，不管這些任務是否有用” 。

需要注意的是，量子霸權表示的是量子計算機可以解決經典計算機在合理時間範圍內不能解決的問題，並不意味著量子計算機就能解決經典計算機無法完成的任務。“只要有足夠的時間……經典計算機和量子計算機可以解決同樣的問題，”美國克瑞頓大學的Thomas Wong說道。

普雷斯基爾指出，“量子霸權”一詞可能會導致“對量子技術現狀的過度炒作”。不過他也祝賀谷歌“在實驗物理學方面取得的非凡成就”，稱其“證明了量子計算硬件的蓬勃發展”。

簡而言之，通過證明量子計算機的優越性，我們現在能比以前更快地解決某些複雜的問題。可以想像，製藥公司可以利用這項技術設計出極其複雜的藥用化合物；金融建模可以使用量子計算來了解市場趨勢。另一方面，量子計算機在理論上還可以以前所未有的計算能力破解當前的加密標準。

當然，這一切只是推測。前沿研究人員還沒有找到量子計算機的實際用途。Sycamore只是以一種非常特殊的方式解決了一個非常具體的問題。“簡而言之，這個量子計算機執行了一個隨機選擇的指令序列，然後測量所有的量子位，以產生一個輸出位串，”普雷斯基爾在專欄中寫道，“這種量子計算幾乎沒有結構，使得經典計算機很難跟上其運算速度，但也意味著答案的信息量不是很大。”

在文章發表前兩天，谷歌在量子領域最大的競爭對手IBM就發表了一篇文章，批評了這一成果。IBM公司聲稱，“在一個經典系統上，對同樣任務的理想模擬可以在2.5天內完成，而且精確度要高得多。”

根據IBM的說法，這在很大程度上是由於谷歌的實驗忽略了某些參數，包括“大量的磁盤存儲”和其他“眾所周知的優化方法”。

無論是否“霸權”，量子計算機的能力還是要在實際應用的時候才能真正體現出來。根據今天發布的一篇博客文章，谷歌的團隊已經在研究“近期的應用”，包括“量子物理模擬和量子化學，以及生成機器學習中的新應用”。

除了這些應用之外，谷歌已經證明了它的量子計算機在隨機數字的生成方面是非常出色的。這聽起來可能並不出奇，但隨機性在計算機科學中非常有用。普雷斯基爾認為，我們還需要幾十年的時間才能看到量子計算機“對社會產生變革性影響”。不過，谷歌的這篇論文可能會成為一個分水嶺，為一個全新的計算時代奠定基礎，從新材料的設計到更高效的肥料，任何事情可能實現——如果可以相信谷歌的話。