“量子霸权”还是“量子优势”？量子计算竞赛“加速时”
Emtech China峰会量子计算分论坛现场
“量子计算的关键是能代表大量数据，并且比传统计算机更有效率。”……量子计算机是一个跨学科的行业，除了物理学家、计算机科学家、数学家，甚至还需要金融行业的定量和分析家，合作设计新的算法，覆盖所有领域。
“量子计算机如何定义？是否包括通用计算机和专用量子模拟器？”“IBM 50量子比特原型机能够解决什么问题了？IBM内部最大能纠缠的量子比特数是多少？”“……我们暂时不便公开讨论这一数据。”
1月29日，《麻省理工科技评论》与DeepTech深科技主办的EmTech China全球新兴科技峰会在北京举行，负责量子计算的IBM、D-Wave高管、Founders Fund首席科学家与中科大教授同台亮相“量子计算”分论坛。在充斥着“非常赞同”的礼节性讨论中，无声的硝烟也在微妙中释放。
两个多月前，IBM对Google的“量子霸权”（Quantum Supremacy，更中性的表述是“量子至上”）算法提出挑战，并抢先一步推出一台50量子比特的所谓“量子计算原型机”，但至今未公布详细性能和测试结果。对此，Google首席科学家John Martinis曾在量子信息处理国际大会上公开表达不满。他所带领的团队原计划在去年年底前利用49量子比特模拟系统攻克经典计算机无法解出的难题，率先登顶“量子霸权”。
“我们理想的真正的可实用量子计算是基于成百上千的量子比特，49个量子比特是不够的。我们已经证明，在传统超级计算机上使用全新的算法，可以模拟这个数量级的量子计算机。”在会议期间接受南方人物周刊采访时，IBM量子战略与生态副总裁Robert Sutor说起对“量子霸权”概念的不满，“这不是说某一天一个人醒来，一个新时代就开启了，从传统计算机时代进入到量子计算机时代。我们更喜欢‘量子优势（Quantum Advantage）’的说法，更加关注解决实实在在的行业问题。”
据英国金融时报1月29日报道，Google将于近期披露49量子比特系统的相关论文。去年5月，中科大潘建伟团队与中科院物理所和浙江大学的联合研究组自主研发出10比特超导量子线路样品，打破前一年Google团队创造的9个超导量子比特纠缠操纵记录。在公开报道中，他们将实现“量子霸权”的时间表初步定于2020年。
量子计算竞速
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中科大上海研究院量子光学实验室内，制冷机“滴滴”地鸣叫着。零下269摄氏度的低温中，激光打中比头发丝细几千万倍的量子点，产生一对“相似度”达到99.5%的单光子。在1平米的实验台上，它们穿越10多个玻片，进入多路分束器——也就是这台光量子计算原型机的CPU中——进行干涉和纠缠，最终运算出“玻色采样”的结果，速度比世界上首台晶体管计算机快200多倍。
这是世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机。该成果去年5月在《自然光子学》发表，被业界视为在光量子领域迈进了一大步。但是要实现最终学术意义上的“量子霸权”，其计算能力必须打败目前最强大的超级计算机——这将是从1946年的“ENIAC”（每秒5000次定点运算速度）到2016年的“太湖之光”（每秒9.3亿亿次浮点运算速度）的跨越。
量子计算原理上的并行性，可以帮助实现这一点。计算机的运算单位比特只有0和1两种状态，但在量子计算机中却可以处于0和1的叠加态。利用量子的这种叠加性质，量子计算机的运算速度可以指数级增长。比如，一个精确操纵50个量子比特的量子计算机，可以有2的50次方的状态同时存在，也就是大约1000万亿。
主流科学家预计50量子比特精确操纵的量子计算机能达到“量子霸权”的目标。今年1月，中科大团队在预印本网站发布的论文刚刚达到了18个光量子比特，未来2到3年内则有望实现30到50个光子的量子线路。
中科大潘建伟团队研制的光量子计算机线路图
除了在光量子方向占据国际优势外，中科大潘建伟团队还在超导和超冷原子方向进行了布局：前者是Google和IBM领衔的美国优势领域，具有可操纵性强、适用于当今微电子工艺的特点；后者被潘建伟视为“最快能带来实际价值”的系统，主要竞争对手是来自美国、德国、奥地利、英国、瑞士的科研机构和公司。其他具有潜力的方案还包括：美国马里兰大学和奥地利因斯布鲁克大学为代表的离子阱；微软另辟蹊径的拓扑量子比特等。
去年年初，顶级学术期刊《Nature》（《自然》杂志）曾刊文，将2017年称为“量子计算机从实验室走进现实”的转折之年，从纯粹的科学转向工程建造。如今Google和微软双双准备公布量子计算“重大技术突破”，将这场技术竞赛推向新的高潮。据金融时报报道，微软也将在近期宣布其第一个有效量子比特原型机，该团队主管称，这一内含纠错特性的新机制将使他们“大大超越目前的业界水平”。
“二十年之前，我觉得量子计算的idea在我有生之年不可能成为现实；二十年过去了，我觉得这个新量子革命正在到来，正在发生，而且量子计算所发展的进程比我想象的要快得多。”2017阿里云栖大会上，潘建伟曾在主题演讲中这样说道。
“后量子时代”？二三十年后
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不过，上述量子计算开发方案都各有局限，以此建造的量子计算系统在现实场景中的应用也仍面临诸多考验，包括量子门的精度问题、量子线路的可扩展问题、量子比特本身的退相干等等。目前IBM宣布的50量子比特超导原型机也只能维持90微秒的运行时间。学术界对量子计算机应用整体上仍抱着谨慎态度。
IBM 50量子比特量子计算原型处理器制冷机外观图
“选择对你有用的信息，谨慎对待一些理想化的论点。每个人都会基于自己本身情况想要的算法从而找到合适的计算机。”这是Robert Sutor的回答。
尽管起步晚于欧美，中国科研机构和商业巨头正在集聚协同攻关，以实现量子计算的“弯道超越”。由中科大领衔的量子信息国家实验室，一期计划总投资约70亿元，预计将在2020年筹建完成；近期“量子通信与量子计算机”科技创新2030重大项目也已报国家有关部门，还在等待决策。
欧盟在论证和决策量子重大计划方面动作更为迅速。2015年发布的《量子宣言》，以10亿欧元打造量子科技旗舰项目，已于近期启动，同时欧洲每个国家还额外给予至少1:1配套；美国同样将量子科技列入国家战略，政府投资每年达到3.5亿美金；日本也制定了长期发展路线图。
作为中国量子信息科技领军人，潘建伟将量子科技在21世纪的重要性与上世纪研制原子弹的曼哈顿计划相提并论，“一开始只有掌握核心技术的几十个人，后来很短时间内就从全国汇聚起了上万人”，“如果说量子信息是一棵竹子，过去一直在泥土中酝酿破土，现在则到了破土而出的时候，人们常说‘雨后春笋’，它将很快进入拔节猛长的阶段。”
量子信息科技的两支——量子保密通信和量子计算，某种程度上存在一些“左右互搏”的意味。最著名的量子算法Shor 大数分解算法，可以用来破解被广泛使用的RSA 公钥密码系统。利用万亿次的经典计算机分解300 位的大数，需要15万年（整数越大，破解越困难）；利用万亿次的运行Shor 算法的量子计算机，则只需1 秒。而以量子密钥分发为代表的量子保密通信技术，则利用“量子不可克隆原理”，理论上可以实现“无条件安全的通信”。事关国计民生的信息安全，直接将两者推向国家格局竞争的高度。
IBM量子战略与生态副总裁Robert Sutor
“有了量子计算机的算力后，人们会有一些担忧，目前的加密法会不会很容易被黑客所攻破？但这需要的量子比特是上百万级的，我们目前还在50个量子比特的阶段，所以还需要一个时间期。”Robert Sutor在采访中谈到，目前科学家已经在研究“后量子时代”的加密法并在今后加以标准化，“要实现这样一个复杂加密，可能还有20到30年的时间，不会一蹴而就。二三十年后，当量子计算逐渐成为主流时，它就能起到加密作用，防止量子计算被黑客攻破。”
通用计算机还是专用模拟器
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“目前量子通信已经走向实用化和产业化阶段，中国处于国际上全面领先的地位。而量子计算这个领域总体上大家都才刚刚从基础研究开始迈入技术集成和集中攻关的研发阶段。”中科大教授陆朝阳在会上指出，这个发展过程大致可以分为三个阶段。
一是“量子霸权”阶段：针对特定某些问题（如玻色采样、随机线路取样等）性能超越经典计算机，超过50个量子比特的量子模拟系统在2020年前就将出现；
二是实用量子模拟机阶段：在2025年左右，数百个量子比特的量子计算系统可以实现组合优化、量子化学、机器学习等方面应用；
三是通用可编程的量子计算机阶段：数亿量子比特且可容错的量子计算机，能在大数分解、量子大数据搜索、量子人工智能方面发挥巨大作用。
中科大教授陆朝阳（前排右一）入选首届MIT TR35（35 岁以下年度创新 35人） 中国区榜单
在各种场合，常有各种领域的科研人员谈论量子计算机的定义和范畴。陆朝阳也把这个问题抛给了EMtech峰会上的嘉宾，“很多普通人认为只有通用计算机才能算作量子计算机，你怎么看？如果你有足够的资金，会投资通用计算机还是专用量子模拟器？”
3位来自企业界的科学家回答出奇一致：性能和实用为王。
Founders Fund首席科学家Aaron Van Devender
在Founders Fund首席科学家Aaron Van Devender看来，量子计算机存在标准上的一些变化，但也有大多数人接受的定义：以量子计算的形式维持运转，拥有量子比特特性等。
“确实存在这方面争议，比如到底是退火器还是模拟器更适用于量子计算机？我觉得争论并不重要，重点在于过去的计算机机器模型也没有一个完美的代表，而对计算机科学方面的开发商而言，重要的是需要知道，有没有真实的环境应用从而引导计算机的实践。”
D-Wave量子计算机内部构造
标准量子计算机由一系列基本的逻辑门来实现量子电路，希望在未来通过编程运行普适性的各种算法。与此不同，D-Wave的量子计算机产品就基于“量子退火”算法设计，并不针对普通的科学计算，而是针对优化组合，从而实现比现行量子模拟器更快、处理更广泛问题的功能，也更具商业化价值。
D-Wave最新发布的第四代机器模型已经达到2000量子比特。在其发展早期，很多批评者质疑其是否能算得上量子计算机。2013年，Google与NASA联合以1500万美元购买其512量子比特的“二代机”，一年后宣布测试发现该机器没有量子加速的证据。
D-wave2X量子计算机
在会议现场，D-Wave CEO Vern Browenll也承认，创始人在2014年决定出售自己的退火器，有一定争议。但他认为，“为企业提供一些有用且速度更快的应用，才是应用量子计算机的竞争力所在。”2015年Google曾宣布，D-Wave2X对某些问题的求解速度已达到传统计算机的1亿倍，但后来也遭到了优化后的传统算法的挑战。Vern在演讲中采用了更保守的数字，“我们的运算速度要比传统算法快2000倍，是世界上最先进的量子计算机。”
商业场上，赢者通吃。在这场日益喧嚣的竞赛背后，何为benchmark（测试标杆），才是业界更为关注的焦点。
IBM与Google之争
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最新的论争在IBM与Google之间展开。去年10月，IBM试图挑战Google的“量子霸权”算法，将其准备发布的49量子比特模拟器“赶下神坛”。
“我觉得有很多标题、噱头、听上去非常漂亮，但是没有什么用，我们要防止这些噱头，保持理性和清醒，展现硬件计算机能力，这才是关键。”在主题演讲和论坛讨论中，虽未点名，Robert Sutor话中带刺。“行业里有一种叫做‘量子霸权’的概念，但是我不太赞同。”他认为，“量子霸权”试图解决的只是“一些科学家提出的人造的理论问题”，“其背后的逻辑错误在于，他们没有考虑所有的可行性。”
“量子霸权”一词诞生于2012年，由加州理工学院量子理论学家 John Preskill 创造，受到科学界广泛认可和引用。2014年，加州大学圣芭芭拉分校John Martinis团队加盟Google。他们发表的在量子计算机上设计取样机制的实验流程论文，将“50量子比特”水平推向“量子称霸”的标杆性意义。去年4月，Google公布了实现“量子霸权”路线图，计划在年底前利用49量子比特模拟系统攻克经典计算机无法解出的难题。
然而，去年10月16日，IBM 托马斯·J·沃森研究中心研究员发表的一份预印本论文指出，凭借足够精巧的装置，经典计算机可以模拟56比特的量子电路，标题直指“打破49量子比特障碍”（Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of Quantum Circuits）。也就是说，他们认为，49个量子比特不足以宣称“量子霸权”。
但《Nature》报道援引Martinis本人回应以及MIT 计算机科学权威Scott Aaronson的评价，认为该论文并未削弱“量子霸权”实验的合理性，反而证明了Google已规划的“量子霸权”测试的前提。
中科大潘建伟团队与浙江大学、中科院物理所联合开发超导量子计算机，实现“量子霸权”的路线图
一个月后，IBM同时宣布推出一台20量子比特的量子计算机和50量子比特的所谓“量子计算原型机”，至今未公布详细性能和测试结果。在Emtech峰会现场和采访中，Robert Sutor仍拒绝回应该原型机的工作细节，只说用它做了一些基础数学运算。
“我们从5和6个量子比特，做到20到50之间的量子比特，是一个全新的架构，也是重大量级的转变。IBM内部积累了很多经验，本质上想了解如何操作这种大型计算机。” Robert Sutor说。
今年1月中旬，在荷兰召开的量子信息处理国际大会（QIP2018）上，Martinis对IBM的做法公开表达了不满，“如果我们现在已经能轻易做到0.001的比特错误率，我们可以只谈论量子比特数目。但显然我们还没有到那个时候，因此在公开信息中只谈量子比特数目是疯狂（insane）的。”
事实上，半导体工艺的量子芯片，量子位数目可以任意加工。但随着量子位数目的增加，噪声和错误率也相应增加。容错量子计算的要求是量子逻辑门的保真度达到99%及以上，否则量子位数目再高，量子芯片也没有科学或实用价值。
正如Aaron Van Devender所说，理想中的量子计算机不仅有叠加效应还要有纠缠效果，使得所有信息处理的元素之间能更好地相互连接，使量子计算机发挥更大的作用，而不是停留在“表层处理”。如果做不到高精度量子纠缠，一台50量子比特的系统与10台独立的5量子比特系统无异，离真正的“量子霸权”相差甚远。
这或许凸显了科学界和商业界的规则差异。目前最高品质的超导量子线路样品是Google的9量子位芯片和中国的10量子位芯片，前者量子逻辑门保真度达到了99.4%，后者形成了10个量子比特的全体纠缠，测试结果都经过严格的同行评议，在国际学术期刊上公开发表。
IBM提出“量子体积”概念，衡量量子计算机的计算能力
当然，IBM也没有否认错误率控制的重要性。最近他们提出了“量子体积”（Quantum Volume）的概念，用以衡量量子计算机的计算能力，并且特别强调“一台量子计算机的能力不仅仅取决于‘堆’量子比特”。在他们给出的模型中，同样量子比特数目的量子计算机，错误率少10倍的，体积大了24倍；而两台错误率一样的量子计算机，多出100个量子比特，体积也没有差别。
“过去两三年里，有一些人做了很多不切实际的承诺，比如未来我们能够进一步提高量子比特数，或者2017年可以达到什么目标。但现在还是与先前一样。”Robert Suto认为，目前门模型基本上已接近落地阶段，“我们结合了常规意义上的计算机算法和量子算法，使得这样的模型具有一定的执行能力。但还需要做很多努力来确保其在纠错方面有更高的效率，而且能够有效提高量子位。”
他还期待芯片技术有重大飞跃，“需要零部件和算法同步，才能进行下一量子位的升级。”千言万语总结为一句话，“你先要做好自己的事。”
量子优势时代到来？
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比起“量子霸权”，Robert Sutor更乐意谈论“量子优势”，关注解决实实在在的行业问题，比如在药物开发、流程优化、金融和物流等解决方案方面，超过传统计算机。IBM在去年宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台IBM Q，还与摩根大通等公司合作计划在2021年前推出首个在金融领域的量子计算应用。
“量子计算的关键是能代表大量数据，并且比传统计算机更有效率。” Robert说，“我们不断地提到自然是数字化的，可能不应该只有0和1这样简单的表达方式，也会需要有一定的优化。”他强调，量子计算机是一个跨学科的行业，除了物理学家、计算机科学家、数学家，甚至还需要金融行业的定量和分析家，合作设计新的算法，覆盖所有领域。
D-Wave CEO Vern Browenll
这一提法得到Vern Browenll的附和。他相信，D-Wave已经接近“量子优势”，并且“有可能是第一个展示出量子优势的公司。”他们的最新产品将在未来几个月内正式发布，未来应用涉及各行各业，包括机器学习、材料科学、网络安全、错误探测。
Vern介绍，D-Wave和大众公司合作，使用量子算法计算在北京的418辆出租车的交通流向，只用了22秒，并且找到了最好的方法来缓解北京出租车交通阻塞问题。
“量子计算在未来将会是一个必要的计算工具，它可能不会替代传统的计算资源，但它会成为我们传统计算的辅助工具。”Vern说。
“量子霸权”与“量子优势”的分野，或许不是真正严肃而有价值的问题，而更像商业巨头间的竞争和宣传策略。在科研界看来，前者是后者的子集和前提，能够实现“量子优势”需要已经掌握了“量子霸权”的能力。
因此，对于科研人员而言，“量子霸权”仍是堪称“标杆性”的目标，是展示量子计算优越性的里程碑。“有不虞之誉，有求全之毁”，陆朝阳用这句话来概括大众对当今量子计算领域的认识和评价。
Aaron Van Devender则抱着更为实用主义的看法。“量子霸权也好，量子优势也好，到来的时间会比我们预期的更早一些。即使量子计算机没有达到碾压式超越超级计算机或传统计算机的性能，但是我们以某种方法让它的成本更便宜、速度更快，为什么不用它呢？”
不过，其他略微落后的量子计算开发公司，似乎还并不买账。英特尔实验室主管Mike Mayberry就对《金融时报》说，在真正可用的量子计算出现前，科技巨头之间还有“10年的竞争”要打，“我们依旧处于‘玩具系统’时代”。
本文首发于南方人物周刊微信公号
文 / 本刊记者 陈竹沁 发自北京、上海
编辑 / 周建平