量子霸权：谷歌与IBM如何把量子比特数量变成十年竞赛

谷歌宣布实现了量子霸权，也就是量子计算机解决了一个经典机器实际做不到的问题。这篇论文一度出现在NASA.gov上，随后被《财富》拿到。论文描述的处理器叫Sycamore，有53个量子比特。

数字本身不是重点。谷歌2019年9月公开这一说法时，这场竞赛已经围绕量子比特数量、布线技巧和错误率发出了一连串公告，每一份都带着保留条件。带领谷歌这项工作的加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家John Martinis，2017年12月在NASA艾姆斯研究中心的Q2B会议上说："新闻稿总是在谈论量子太空竞赛里的量子比特数量。"他接着说："这不仅仅是数量，还有量子比特质量。"

两年前的一次六量子比特测试

《麻省理工科技评论》2017年4月报道，Martinis给自己几个月时间，要在计算史上达到一个里程碑。他在谷歌约25人的团队造出一枚六量子比特芯片，排成二乘三的网格。布局很重要，因为这是第一次测试公司的量子比特并排放置时还能不能工作。在更大的设备里，它们必须并排放。

这枚芯片还测试了一种制造方法：量子比特和控制它们的常规布线分别在不同芯片上制造，之后再通过凸点键合连接。同一篇报道说，谷歌团队自该小组两年多前成立以来就专注这条路线。目标是去掉可能干扰量子比特工作的额外控制线。Martinis当时说："这个过程完全可行。"他还说："现在我们准备加快速度。"

那时谷歌已经展示过用九个量子比特排成一行做量子计算。Martinis说，霸权实验需要49个量子比特组成的网格。30到50量子比特的设备设计已经在进行。

IBM以50量子比特回应

IBM先出手。2017年11月10日，美联社报道IBM科学家造出并测量了一枚50量子比特的处理器原型。领导IBM量子计算与人工智能研究部门的Dario Gil说，这是首次有公司造出这一规模的量子计算机。未参与该研究的麻省理工学院机械工程教授Seth Lloyd说，IBM可能还有故障要排除，但称这一公告是重大进展的标志。

谷歌几周后在Q2B会议上回应。Martinis说，他的团队当月正在制造一台49或50量子比特的霸权设备，两周后开始测试，不算圣诞假期造成的延误。他还讲了这台设备要解决的问题。团队让量子比特纠缠，让系统随时间演化，然后测量结果。在经典计算机上模拟这些结果要花几周，量子机器几分钟就能完成。这一差距同时说明规模和量子比特质量。

并非所有人都把量子比特数量当作有用的记分牌。马里兰大学教授、量子计算初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe对《麻省理工科技评论》说："这会是一个学术里程碑。"他接着说："之后你仍然得弄清楚怎么让它更具可扩展性和可编程性。"

2019年的宣称与反驳

谷歌的论文说，它的处理器对一个量子电路的一个实例采样一百万次大约需要200秒，而最先进的超级计算机完成同等任务需要大约1万年。研究人员估计，同样的实验在谷歌云服务器上要花50万亿小时。在量子处理器上，它只用了30秒。他们写道："据我们所知，这个实验标志着首次只能在量子处理器上完成的计算。"

IBM的Gil拒绝这种说法。他对《财富》说："这个实验和'霸权'这个词几乎会被所有人误解。"他称这是一个高度特殊的实验室实验，没有实际应用，并说量子计算机将与经典机器协同工作，而不是凌驾于它们之上。英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称这一结果是一个值得注意的里程标，并说一台商业上可行的量子计算机还需要更多进展。他说："虽然开发仍处在这场马拉松的第一英里，我们坚信这项技术的潜力。"

《自然》2019年10月发表该结果后，谷歌自己的博客文章发布，既庆祝又谨慎。公司把量子工作追溯到2006年，当时科学家Hartmut Neven开始探索这项技术如何加速机器学习，并指出Martinis和他的圣塔芭芭拉团队2014年加入。文章说实际应用仍需许多年。它还把2018年10月南加州山火期间实验室被迫关闭，算作帮助团队在进展放缓一段时间后重新调整的因素。

商业时间表仍然模糊。2019年美国物理学会三月会议上，IBM说其搭载20量子比特处理器的Q System One已达到16的量子体积，是早先IBM Q机器的8的两倍。量子体积综合考量量子比特数量、连接性、相干时间、门与测量错误、设备串扰以及编译器效率。IBM说，该指标需要每年翻倍，才能在未来十年内达到量子优势，而自2017年以来它每年都把量子计算机的能力翻倍。

ZDNET报道称，实际而广泛的应用场景仍需数年。这大体上就是该领域目前的处境。一个里程碑，即便是真实的里程碑，也不是产品。