量子霸权详解：谷歌与IBM如何竞逐一个备受争议的里程碑

谷歌称自己实现了"量子霸权"。这一说法写在一篇科学论文里，是迄今最严肃的迹象，说明量子计算机能在某项特定任务上击败经典计算机。《财富》杂志在2019年9月20日报道了此事。这项实验不是通用意义上的突破。它是一次表演，范围很窄，但这场表演已经被许诺了很多年。

数字本身就是故事。谷歌的处理器名为Sycamore，包含53个量子比特。团队此前设计过一台72量子比特的设备Bristlecone，这次反而缩减了规模。实验中，量子机器通过一个涉及量子现象的专门方案，对随机生成的数进行采样。研究人员说，他们的处理器用了约200秒，对量子电路的一个实例采样100万次。他们估计，一台最先进的超级计算机完成等效任务大约需要1万年。他们还估计，在谷歌云服务器上跑同样的实验需要50万亿小时。

一篇在同行评审前泄露的论文

《财富》拿到了论文的一份副本。该论文当周早些时候曾被贴到NASA.gov上，随后被撤下。《金融时报》最先报道了这一消息。谷歌发言人拒绝确认论文及其结果的真实性。NASA没有立即回应置评请求。

一位了解情况的谷歌消息人士认为，NASA不小心提前发表了论文。当时团队的结论尚未经过科学同行评审的彻底审查，而这一过程可能需要几周到几个月。这个细节很重要。消息传出时，公众看到的里程碑，科学家还没检查完。

"量子加速在真实系统中是可以实现的，也不被任何隐藏的物理定律所排除，"谷歌研究人员写道。

论文还预测，量子计算能力将"以双指数速率增长"，连摩尔定律所定义的指数速率都会被超过。摩尔定律观察到传统计算能力大约每两年翻一番。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企及的计算。"据我们所知，这项实验标志着第一次只能在量子处理器上完成的计算，"他们写道。

通往53个量子比特的路

这个里程碑并非凭空出现。2017年4月，《麻省理工科技评论》报道，领导谷歌量子研究组的John Martinis给自己只留了几个月时间，去达成计算史上的一个里程碑。Martinis说，到那年年底，他的团队会造出一台实现量子霸权的设备。他之所以有信心，部分原因是一块新芯片，6个量子比特按二乘三排列。Martinis说，这证明量子比特并排放置时技术仍然可行。这块六比特芯片还测试了一种制造方法：量子比特和用于控制它们的常规线路分别在不同的芯片上制造，之后再通过凸点键合连在一起。

当时谷歌已经公布了一块9量子比特排成一线的芯片的结果。Martinis说，霸权实验需要49个量子比特组成的网格，30到50量子比特设备的设计已经在推进中。他在加州伯灵格姆的IEEE TechIgnite大会上谈到了这些工作，但该团队尚未正式披露技术细节。

谷歌并不孤单。研发量子处理器的竞赛中还有英特尔、微软和IBM，以及一些初创公司。麻省理工学院一个量子计算研究组的首席研究员Simon Gustavsson告诉《麻省理工科技评论》，谷歌是领先者之一。"谷歌和IBM大致相当，"他说。马里兰大学教授、量子计算初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe称霸权实验是"一个学术里程碑"。"之后你还得想办法让它更可扩展、更可编程，"他说。

IBM的反击

IBM有自己的发布。2017年11月10日，美联社报道，IBM的科学家成功制造并测量了一个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，这是第一次有公司造出这种规模的量子计算机。未参与IBM研究的麻省理工学院机械工程教授Seth Lloyd说，IBM可能还有故障要解决，但50量子比特的发布是重大进展的信号。

到2019年3月，IBM谈的是另一项指标。ZDNET报道，IBM将在美国物理学会三月会议上公布其迄今最高的量子体积。量子体积是一项性能指标，考虑量子比特数量、连通性和相干时间，还包括门与测量误差、器件串扰以及电路软件编译器的效率。IBM说，搭载20量子比特处理器的Q System One量子体积达到16，是当时IBM Q的两倍，后者的量子体积为8。IBM还说，Q System One的误差率是它测到的最低水平之一。

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，即量子应用相对经典计算机带来显著优势的那一点。自2017年以来，IBM每年将其量子计算机的能力翻倍。2016年，它通过云服务开放了量子计算技术。

这个里程碑不意味着什么

怀疑者早已就位。IBM Research负责人Dario Gil建议不要用量子霸权作为衡量该领域进展的指标。"这项实验和'霸权'这个词几乎会被所有人误解，"他告诉《财富》。Gil称该实验是一个高度特殊的"实验室实验"，"没有实际应用"。他还说："量子计算机永远不会'统治'经典计算机，而是与它们协同工作，因为各自有独特的优势。"

英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称谷歌的更新是"一个值得注意的里程标"。他说，一台商业上可行的量子计算机需要许多研发进展才能成为现实。"虽然开发还处在这场马拉松的第一英里，我们坚信这项技术的潜力，"Clarke补充说。

谷歌自己也谨慎地框定了结果。2019年10月23日，公司发表了一篇博文。此前《自然》在其150周年特刊上刊出了论文。博文说，这个里程碑是它一直等待的"hello world"时刻，但要实现更广泛的一系列现实应用，还要过很多年。博文描述了一项长达13年的努力，始于2006年，当时谷歌科学家Hartmut Neven开始探索量子计算如何加速机器学习。John Martinis和他的团队于2014年加入，团队在加州大学圣塔芭芭拉分校。两年后，Sergio Boixo发表了一篇论文，把努力聚焦到量子霸权这一界定明确的计算任务上。

谷歌也承认了局限。量子计算机容易出错，但实验表明，它能在足够大的规模上以足够少的错误完成一次计算，从而胜过经典计算机。博文把这一刻比作造出第一枚摆脱地球引力、触及太空边缘的火箭。当时有人问，既然到不了任何有用的地方，为什么要进入太空。

这个类比是诚实的。量子霸权是一项基准，不是产品。它表明量子处理器能在一个精心挑选的问题上做到经典机器做不到的事。谷歌和批评者都说，有用的工作，比如设计更好的电池或更便宜的化肥，还要等很多年。随后的争论，与其说在于实验是否成立，不如说在于"霸权"这个词在标题里到底起了什么作用。