當這幾天國內大​​家被“數據權力”奪走大部分注意力時，幾乎沒有人注意，幾天前中國在“量子霸權”上取得的新成績，其實一直在國外持續發酵。因為這個成績某種程度上代表著，中國技術團隊在真正意義上“擊敗”或“可以取代”Google在2019年取得的“量子霸權”成績。

作者| 宇多田

這裡僅截取兩個報導

Google2019年公開的量子計算機Sycamore，左邊人為CEO皮蔡

很多人都記得兩年前，也就是2019年10月，Google的54個量子位量子處理器Sycamore 成為世界上第一個實現“量子優勢”（或被稱為“量子霸權”）的處理器。

這個由理論物理學家John Preskill在2011年提出的，聽起來異常霸氣的詞彙，其實僅代表了一個簡單的含義：未來一定會有明確證據來證明，量子計算機能夠解決經典計算機無法解決的問題。

其實，這個Google在2019年發布的奇異機器之所以被譽為劃時代突破，就在於提供了第一個明確的證據——他們用量子計算機解決了一個名為“隨機量子電路採樣”的問題。

譬如，對一個53比特20個cycle的電路採樣一百萬次，在量子計算機上需要200秒，而Google自稱，用當時世界上最強的經典超級計算機則需要一萬年（被後來IBM經典計算機團隊跳出來狂錘，說只要2.5天）。

這個成果被大肆報導後，“量子計算機”這個命題開始在全球大國和發達國家中引起堪稱狂熱的重視（譬如德國，部署堪稱神速，是除中國和美國最重視量子計算的國家）。

終於，在2020年12月，大家的眼球又被潘建偉、陸朝陽領導的中國量子計算技術團隊所吸引，因為他們帶頭研製的53量子位光子量子計算機“九章”，在某種程度上也實現了“量子霸權”——

論文稱，九章在200秒內完成了一項複雜的任務，如果要當時世界上最快的超級計算機“富嶽”號做，則需要6億年。

“九章”量子計算機

的確很了不起。但全球對這個結果的爭議不小。

很多科學家認為，“九章”只能出這一個狠招——“求解高斯玻色取樣”，做其他任務或許並不能達到很好的效果。

這就好比一枚在解決某個問題性能爆棚的AI專用芯片，與通用型芯片CPU的區別。所以很多人覺得，Google的Sycamore更加實用，而九章趨向於“專業”。

但是，就在6月29日，一篇論文出現在網站ArXiv（這是一個可以證明論文原創性的知名文檔預收錄服務器）——潘建偉與朱曉波教授帶領的中國技術團隊在中國量子計算機“祖沖之”上，用實驗驗證了使用超導量子位達成“量子優勢”（也就是“量子霸權”）。

如果你持續關注量子計算機消息，那麼應該對“祖沖之”不陌生。它作為中國自研的第二個量子計算機，在2021年5月橫空出世時，曾引起過中國媒體的爭相報導。但也就止於“基礎信息介紹”了，除了一些人在知乎上討論外，它很快就消失在大眾視野中。

“祖沖之”的二維超導量子位芯片原理，來自中國科技大學

而中國科技大學團隊（上海），就是在這台66量子位的超導型量子計算機上，處理了2019年Google解決的那個計算問題——對隨機量子電路的輸出分佈進行採樣。

而結果是，他們使用了其中56個量子位（比Google多出3個），用1.2小時就完成了採樣。而這個結果需要當前最強大的傳統超級計算機用時8年。

6月29日出現在ArXiv上的論文

用你最擅長的方式打敗你

5天來，“祖沖之贏得量子優勢”的相關消息與論文，如今正在全球量子計算科研圈和國外媒體中持續發酵。

根據《新科學家》雜誌的說法，GoogleSycamore與“祖沖之”都選擇解決了同一個問題——涉及到模擬量子電路並從其輸出結果中抽取隨機數。而這個問題，已經成為證明量子計算的基準問題。

“這個問題出現的理論基礎很難被總結，涵蓋了’隨機矩陣理論’、’數學分析’、’量子混沌’、’計算複雜性和概率論’等等。

但重要的是你要清楚，解決這個問題需要的時間，隨著更多量子比特加入系統而呈指數增長。這就讓經典超級計算機很快不堪重負，因此成為非常合適的’量子優勢’測試平台。”

因此，如果從字面看，Google用53量子位耗時3分30秒完成了採樣，而中國的量子計算機則用56個量子位耗時1.2小時完成相同任務，似乎不叫“超越”。

（用腳趾頭想想，量子計算這種“鬼魅之物”，是能用字面意思去搞的嗎！）

但量子科學家們曾多次強調，增加量子計算機的位數並不困難，但精確控制每一位非常難，而解決這個問題無疑要考驗“精準控制的能力”。要在高保真控制和讀出單個微波光子態(量子位)的條件（這兩個條件是非常重要的指標）下實現56個量子位可擴展性，難度要比53個量子位增加了無數倍。

無論從錯誤率還是保真度，論文裡稱都達到了頂級水平。

所以，《新科學家》雜誌也直接給予了一個這樣的評價：“中國的量子計算機團隊已經解決了一個至少比當時（Google）難度高100倍的問題。”

此外，知乎上也有物理領域研究人士，在7月1日便刊出GoogleSycamore與祖沖之的“對比”，並給出了自己的看法——“祖沖之”躋身世界頂尖水平。

圖片來自知乎優秀物理答主“少司命”的回答，懸鈴木就是Google的Sycamore 。

圖片來自知乎答主“國產小栗旬”

其實很多人都容易忽略一個問題，就是“GoogleSycamore”“九章”和“祖沖之”背後的技術路線。

虎嗅根據現有公開資料查到，構建量子計算機的物理體系包括光量子、量子點、離子阱、超導、冷原子、金剛石色心與核磁共振等等。

而如今的主流（也可以被認為是發展較快）三大技術體系分別是“超導量子”、“光量子”和“離子阱”。

很明顯，“GoogleSycamore”與“祖沖之”都是走的的超導技術路線。根據論文中的介紹，“祖沖之”就是一台可以同時操縱多達66個量子位的二維可編程超導量子處理器。

此外，大部分世界頂級的技術公司，譬如一直在量子計算領域窮追不捨的IBM和英特爾，都選擇了這個路線來參與世界量子霸權競爭。

IBM的53位量子計算機Q

而“九章”則屬於“光量子”物理體系。比較兩者實現的運算機制，光學的邏輯門操作主要通過偏振片實現，而超導的邏輯操作則要通過施加射頻信號來實現。

但是，有量子技術專家告訴虎嗅，與超導相比，雖然光子可在室內低溫運行，也有“相干時間長的優點”，但“做到靈活且精準操縱”還是個難點。

而上面我們講過的那個測試量子計算性能的標杆性問題——“隨機量子電路採樣”需要對量子比特進行精準操控，這直接關係到量子計算機的通用性。

因此，涉及到通用性難題，這個路線一直沒有太多企業願意深入去研究。

有趣的是，具有量子比特品質高、相干時間較長等特質的“離子阱”路線，雖然誕生早於超導，但一直有點默默無聞，直到近兩年才愈加受到全球企業級市場的關注。

除了在量子計算領域埋頭啃了10年的工業巨頭霍尼韋爾，在2020年研發出了離子阱量子計算機以外，目前世界存在的極少數量子計算創業公司之一IonQ（孵化於量子計算研究很有名的美國馬里蘭大學），也推出了基於“離子阱”的32量子位量子計算系統，併計劃上市。

IonQ 在2020年10月發布的新一代離子阱量子計算機。新系統有32個量子位(IBM 和Google的機器只有50個) ，但他們稱降低了錯誤率，使新系統的保真度達到99.9%。

所以，與“光量子路線取得一定成就，但頗具應用爭議”的九章相比，很大程度上，2021年橫空出世的“祖沖之”更像是中國技術團隊奮起直追，在“超導”這個大家相同的賽道上，解決了難度係數更高的問題。

可謂“以其人之道，還治其人之身”，在全球量子計算技術的通用性進展上又邁出了屬於中國的一步。

英國物理學家、量子光學教授、倫敦帝國理工學院高級研究員Peter Knight昨天給予了公開回應，稱讚這是一個令人印象深刻的進步——因為性能隨量子位數量的增長會呈指數級增長，而性能增長就意味著更快速的收益。

“我很興奮，這個實驗證明了’我們以為是正確的但卻沒有被證明過’的事實：只有多加幾個量子位就能打敗傳統機器（業內一般認為50量子比特是一個超越傳統計算機的基準）。

所以你想想（逐漸停滯）的摩爾定律，就意味著建立更好的計算機，只需要在量子處理器上加一把量子位。

所以，這裡面就存在著一個’量子摩爾定律’——這意味著量子比特的數量正以指數方式增長。”

寫在最後：這只是一小步

又把中國的第二代量子計算機“祖沖之”再誇一遍，是想明確告訴大家，中國的量子計算水平的確正在躋身世界頂級行列。但這並不意味著我們真的超越了國外的技術水平，也不意味著量子計算機離真正落地實用有多麼近。

的確，與普通的計算機位只能存儲“0或1”不同，，量子比特既可以存儲0，也可以存儲1，可以通過一種叫做疊加的概念來存儲兩者的組合，這意味著什麼？

意味著量子計算機的處理能力會隨著量子比特數的增加而呈指數級上升。舉個例子，量子計算機如果有N比特，那麼可以一次對2的N次方進行運算，相當於在經典計算機上計算2的N次方次，可以解決後者無法解決的大規模計算難題。

極其了不起。但解決這些難題，是有同樣多的附加條件的，譬如，究竟得多大規模。

我最近看到了一些有趣的趨勢。由於全球的量子計算概念火爆到泡沫浮起，一批又一批國外的量子計算研究者，終於願意從小隔間裡走出來，向大眾“科普”真正的量子計算究竟是什麼樣子的。

譬如，一個名叫Scott Aaronson的頗為有趣的量子計算研究員，就公開吐槽“全球都在吹捧量子計算機無所不能”的荒謬現實：

“你可能聽說過，量子計算機是種神奇的超級機器，它將很快通過’在不同的平行宇宙中嘗試所有可能的答案’（這裡就是指量子計算的並行性）來治愈癌症和全球變暖。

我一直在抱怨這種卡通化的想法，試圖解釋我認為更微妙但更具諷刺意味的事實。作為一名量子計算機研究者，我把這當作一項公共服務和我的道德責任。

如果一個商業或科技記者可以誠實地告訴讀者就好了，但現實是’看，在引擎蓋下面藏著這些深奧的量子技術，但你只需要理解底線：物理學家即將建造更快的計算機，它將徹底改變一切。’

但最大的問題是，量子計算機不會徹底改變一切。

是的，他們可能有一天在幾分鐘內解決一些特定問題，但(我們認為)這些問題將比傳統計算機上的宇宙年齡還要長。而大多數專家認為，量子計算機對於許多其他重要問題的幫助微乎其微。

此外，儘管Google 和其他公司最近發表了可信聲明，稱自己已經實現量子加速，但這只是針對特定的、深奧的基準測試（我參與設計了測試）。在破譯密碼和模擬化學等實際應用中，量子計算機的體積和可靠程度足以勝過傳統計算機，但這還有很長的路要走。”

量子計算的每一步成功都值得慶賀，但也都是“漫漫基礎技術研究長河”中的一小瓢水，希望每個人都能對所有諸如“厲害了，量子計算機完全超越經典計算機”這種聳人聽聞的標題下的真相，保持自己的思考。