量子霸权：谷歌、IBM 与量子比特竞赛究竟承诺了什么

2017 年 4 月，约翰·马丁尼斯给自己定了一个期限。他是谷歌量子研究团队的负责人。他对《麻省理工科技评论》说，到那年年底，团队会造出一台实现“量子霸权”的设备，也就是能完成任何传统计算机都无法完成的特定计算。

“我们认为已经准备好做这个实验了。现在就能做，”马丁尼斯对《麻省理工科技评论》说。证明将来自谷歌芯片与全球最大超级计算机之一之间的一场竞速。

这是当时的说法。接下来是两年半的制造、测试、论文泄露，以及外界对这个里程碑究竟测出了什么的公开质疑。

量子比特是什么，为什么 9 变成了 49

量子芯片用量子比特存储数据。这种器件利用量子力学，可以绕过一些困难的计算。传统比特不是 0 就是 1。量子比特可以同时是两者，处于叠加态。这让机器在某些问题上能同时处理许多状态。

这是理论。工程上更难。《EE Journal》2014 年一篇文章讲加州大学圣塔芭芭拉分校的方法。文中说，量子操作相当于在一组纠缠量子比特上实施旋转，而测量会把叠加态坍缩成一个答案，这个答案未必正确。可靠性不是次要问题：文章指出，未纠错的可靠性必须超过 99%，纠错才能处理剩下的部分。圣塔芭芭拉分校的量子比特叫传输子，工作在比绝对零度高约 30 毫开尔文的温度下。

谷歌的芯片系列在公众视野中不断变大。2017 年 4 月，公司公布了一个排成一条线的 9 量子比特芯片的结果。马丁尼斯说，霸权实验需要 49 个量子比特组成的网格。当时最新的器件只有 6 个量子比特，但排成二乘三，好让团队测试量子比特并排放置时其技术是否仍然有效。它还测试了一种制造方法：量子比特和控制线路分别造在不同芯片上，之后再通过凸点键合连在一起。这么做是为了去掉干扰量子比特工作的多余控制线。

“整个流程都能跑通，”马丁尼斯对《麻省理工科技评论》说。“现在我们准备加快速度了。”

谷歌并不孤单。《麻省理工科技评论》那篇文章列出了英特尔、微软、IBM 以及多家初创公司，都在竞相制造量子处理器。麻省理工学院量子计算研究员西蒙·古斯塔夫松对该刊说，谷歌和 IBM“相当接近”。马里兰大学教授、初创公司 IonQ 联合创始人克里斯·门罗对目标价值的评价更直接：“这会是一个学术里程碑。之后你还得搞清楚怎么让它更可扩展、更可编程。”

IBM 用 50 个量子比特回应

到 2017 年 11 月，IBM 拿下了规模纪录。据美联社报道，领导 IBM 量子计算与人工智能研究部门的达里奥·吉尔在 11 月 10 日星期五说，公司科学家已成功制造并测量了一个 50 量子比特的处理器原型。美联社通过《西雅图时报》发布了这一消息。

吉尔说，这是首次有公司造出这一规模的量子计算机。未参与 IBM 研究的麻省理工学院机械工程教授塞思·劳埃德对美联社说，IBM 很可能还有一些小毛病要解决，但 50 量子比特的宣布是重大进展的标志。

据 Gizmodo 报道，2017 年 12 月在 NASA 艾姆斯研究中心举行的一场面向商业的量子计算会议上，马丁尼斯反对把量子比特数量当成记分牌。“新闻稿总是用量子比特数量来谈量子太空竞赛，”他说。“不只是数量，还有量子比特的质量。”

Gizmodo 报道说，谷歌当月正在制造其 49 或 50 量子比特的霸权器件，并将在两周后开始测试，前提是圣诞假期允许。马丁尼斯描述了实验内容：让量子比特纠缠，让系统演化，然后测量结果，其概率分布复杂到经典机器必须模拟量子计算机才能核对。这样的模拟可能要花几周，才能完成量子计算机几分钟就能做的事。

质量意味着量子比特不会给出错误的值，也不会因与环境相互作用而衰减成普通比特。加州理工学院理论物理学家约翰·普雷斯基尔在同一场会议上发言，把当前时期称为 NISQ 时代，即含噪声中等规模量子计算机时代，并说通往容错机器的进展必须继续。

200 秒的说法

结果在 2019 年 9 月落地，但不是谷歌计划的方式。《财富》在 9 月 20 日报道说，它拿到了谷歌论文的一份副本，该论文当周早些时候被发到 NASA.gov 上，随后被撤下。《金融时报》最先报道了这一消息。据《财富》报道，谷歌发言人拒绝确认论文的真实性，NASA 也没有立即回应置评请求。

谷歌的一位消息人士对《财富》表示，NASA 提前发表了论文，当时这些说法还没来得及经过同行评审，而该消息人士说这个过程可能要几周到几个月。

据《财富》报道，论文的核心数字是：谷歌的处理器名为 Sycamore，包含 53 个量子比特，比团队此前设计的 72 量子比特器件 Bristlecone 有所缩减。研究人员说，对一个专用量子电路的一个实例采样 100 万次，处理器花了约 200 秒，而一台最先进的超级计算机完成同等任务大约需要 1 万年。在谷歌云服务器上，同样的实验估计需要 50 万亿小时；在量子处理器上只用了 30 秒。

“我们的处理器对一个量子电路的一个实例采样 100 万次大约需要 200 秒，而一台最先进的超级计算机完成同等任务大约需要 1 万年。”

研究人员写道，基于超导量子比特的量子处理器如今已能完成当今最快的经典超级计算机无法触及的计算，这个实验标志着首次只能在量子处理器上完成的计算。他们还预测，量子计算能力将以双指数速度增长，超过摩尔定律大约两年翻一番的速度。

反击

当时已是 IBM 研究负责人的达里奥·吉尔对《财富》说，这个结果不应被当作进展指标。“这个实验和‘霸权’这个词几乎会被所有人误解，”他说。他称这是一个高度特殊的实验室实验，没有实际应用。“量子计算机永远不会‘统治’经典计算机，而是会与它们协同工作，因为各有独特优势。”

英特尔实验室量子硬件总监吉姆·克拉克称这一更新是“一个值得注意的里程标记”，并说商用可行的量子计算机还需要更多研发进展。“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，”他说。

IBM 有自己的记分方式。据 ZDNET 报道，2019 年 3 月，IBM 为其 Q System One 给出了 16 的量子体积，该系统搭载 20 量子比特处理器，是此前 IBM Q 系统量子体积 8 的两倍。量子体积综合了量子比特数量、连接性和相干时间，同时计入门与测量误差、器件串扰和编译器效率。IBM 说，量子体积需要每年翻一番，才能在未来十年内达到量子优势，也就是量子应用相对经典计算机带来显著优势的那一点。

这种强调质量而非原始数量的框架，在 2019 年的头条之后留了下来。谷歌的论文把这一结果描述为量子计算从研究课题转变为开启新计算能力的技术，并补充说该领域“距离有价值的近期应用只差一个有创意的算法”。

把 2017 年和 2019 年的纪录放在一起看，它们描述的里程碑是真实的、狭窄的，也是争议极大的。一个 53 量子比特的芯片用 200 秒采样了一个电路，而超级计算机需要数千年才能复现。它没有运行任何有用的程序，而造竞争机器的人最先说出了这一点。

这个模式很可能重演。谷歌在 2017 年 4 月定下期限，IBM 在 2017 年 11 月宣称 50 个量子比特，霸权论文在 2019 年 9 月浮出水面。每一次宣布都重新点燃了关于哪个数字才算进展的争论。