一文读懂“量子霸权”

光子盒研究院出品

自从去年10月23日，谷歌“利用可编程超导处理器实现量子霸权”被正式刊文介绍之后，世界都认识到了一个新名词：“量子霸权”。谷歌开发出的一款54量子比特的超导量子芯片“Sycamore”，对随机量子线路采样100万次只需200秒，而目前最强的传统超级计算机Summit要得到类似的结果需要长达1万年（IBM已证明只需3天）。

再谈量子霸权

量子霸权（Quantum Supremacy），也叫“量子优势”或“量子至上”，是指量子计算机具备超越经典计算机的计算能力。量子霸权的概念由美国理论物理学家John Preskill于2011年提出。业界普遍认为，实现量子霸权是量子计算从理论实验走向通用的开端。

一般认为，如果量子计算机在“某些特定问题”上的计算能力超过了传统经典计算机，那么就被认为实现了“量子霸权”。专家估计，如果量子计算机能操控超过49个量子比特，其在某个特定问题上的计算速度就有可能超过包含超级计算机在内的任何传统计算机。

为什么谷歌那么在意自己获得了“量子霸权”？人类实现“量子霸权”究竟有多大意义？

量子霸权实验可以类比贝尔实验。贝尔实验已经无漏洞地反驳了定域隐变量模型，而量子霸权实验将驳倒“拓展的丘奇—图灵论题”，其表述为：经典计算机可以在多项式时间内有效模拟任何物理过程。“量子霸权”将提供一个令人信服的证据证明经典计算模型无法模拟纠缠，更无法获得量子计算的计算能力。

“量子霸权”对于完善基础量子理论也至关重要，因为到目前为止量子力学是唯一改变计算模型的物理理论。另一方面，实现“量子霸权”将极大增强我们对实现大规模可扩展的通用量子计算机的信心。

但显然，随着量子计算的研究成果呈现显著增长，整个国际社会和舆论对于量子计算带来了过分的炒作，MIT的理论物理学家Seth Lloyd谈到：“整个量子计算领域现在正走向疯狂。”量子霸权这一概念加剧了媒体与科技公司对量子技术的炒作，其提出者Preskill也因此开始反思这个概念是否合适。

近年来，谷歌、IBM等公司纷纷对外宣称成功开发出了大数量（50以上）量子比特的量子计算原型机。然而，实现量子计算的关键参数不仅仅是量子比特的数目，还有系统的保真度。随着量子比特数目的增加，量子计算的保真度也会急剧的下降，这将导致错误率很迅速上升。

IBM Research部门负责人Dario Gil对外表示：“量子比特数量增加只是一个方面，控制的量子比特越多，量子比特之间纠缠的交互作用就会越复杂。如果人类拥有了更多的量子比特，但它们相互联系时会有很高的错误率，那么它们不见得比错误率较低的只有5个量子比特的机器强大。”

量子霸权的实现路径

量子霸权概念提出后，各国科学家们提出了很多种实验和理论方案。MIT的Aram Harrow等人在2017年列出五条实现量子霸权的条件：

1、首先这个计算任务必须定义明确。

2、对应该计算任务，要有一个合理的量子算法。

3、对于经典计算机可以满足的时间和空间。

4、计算复杂性理论基础假设（经典无法模拟量子的假设）成立。

5、计算结果可以得到验证。

这五个条件为量子霸权的实现指明了方向。依据这五条标准，目前业内主流的几个理论方案如下：

1、Shor算法是量子计算机最具应用前景的算法，而且其结果很容易被证实，理应是实现“量子霸权”的一个最优选项。但是，到目前为止最好的估计告诉我们，如果想要分解一个2048位的大整数，需要数千个纠缠的量子比特，对于目前的技术来说，这很难在一个较短的时间内实现。

2、“玻色采样”方案是有较强的计算复杂性理论支撑，但是物理实现并不明确；玻色采样的理论方案最早由MIT的理论计算机科学家Scott Aaronson等人在2011年提出。玻色采样是指对从一个复杂干涉网络输出的玻色子的态空间进行采样，类似于经典世界的高尔顿板。玻色采样所需的物理资源仅仅是不可识别的玻色子(光子)，线性演化以及测量。其中玻色子类似于高尔顿钉板中的小球，线性演化类似于小球经过钉板的 过程。但是以光量子计算方案为基础的玻色采样面临光子制备和探测效率低的实验技术难题。不过，最新实验研究表明玻色采样即将逼近“量子霸权”，中国科技大学潘建伟团队利用自主研发的高品质单光子源，实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色采样量子计算，美国物理学会Physics网站以“玻色采样量子计算逼近里程碑”为题对该成果做了精选报道。

3、谷歌主导的随机线路采样方案，是短期内物理实现较容易，但是理论证明并不明确。该方案得益于高品质超导量子比特的快速发展。随机线路采样是对随机量子线路的输出分布进行采样。谷歌去年利用Sycamore的53个量子比特的可编程超导量子处理器实现了“量子霸权”。不过这个结果很快遭到IBM研究人员的质疑，并且很快在预印网站arxiv上刊出了他们的成果，文章中指出，利用他们的方法，经典超级计算机可以在2.5天内以更高的保真度完成相同的计算任务。那么按照这个结果，我们距离“量子霸权”还很远。

谷歌 Sycamore 量子芯片

量子霸权有点玄

实际上，IBM并不提倡使用“量子霸权”这一概念，他们认为“量子霸权”更像是谷歌公司炒作自身的工具。因此，更可靠的说法应该是，未来的很长时间内，经典计算机和量子计算机将会共存，各自负责不同的计算领域，今后的计算机极有可能同时包含经典和量子两部分，各自处理自身优势的计算任务。

英特尔实验室负责人Rich Uhlig在记者采访时认为，量子计算真正产生实用价值至少还需要10年。无论从理论上还是工程技术上讲，量子计算都还是一项极不成熟的技术，真正的量子计算机，不仅仅是包含量子计算，还需要更多的技术支撑，比如，量子存储、量子通信、量子程序设计等等。

目前距离实用的量子计算机还有很长的路要走，一方面，实验量子计算还存在很多不可逾越的技术障碍，目前的实验系统，普遍面临纠缠量子比特数少、相干时间短、出错率高等诸多挑战；另一方面，量子计算相对于经典计算机的优势还有待进一步确认。

Uhlig表示，量子计算虽然被人类给予了厚望，但是其能否取代经典计算机，现在下结论还为时过早。目前来讲，经典无法有效模拟量子系统这一描述仅仅是学界的共识，并没有完全证明。

量子计算的计算模型和思路同样可以应用到经典计算中，经典计算的计算能力还有待进一步开发，研究者们对于经典计算仍然充满期待。虽然谷歌宣布实现了“量子霸权”，但是这样的“量子霸权”可能只是暂时的，不排除会有加速经典算法的出现。

来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的18岁华裔少女Ewin Tang，在其本科毕业设计中提出了一个可以媲美量子算法的经典算法。从2017年秋天开始，她在Scott Aaronson指导下，试图证明经典算法无法提供量子算法这样的加速。

但是经过几个月的努力，Ewin并没有找到相关证据，相反，她开始考虑是否确实存在这样的经典算法。最终，Ewin发现KP算法利用了量子相位估计，而对于经典算法可以不需要相位估计，通过用户偏好矩阵的一个微小子矩阵的随机采样就可以实现类似的加速效应。

随后Ewin参加了在伯克利举行的一个量子计算会议，将自己的成果向在座专家（其中包括KP算法的提出者）进行了汇报，经过近四个小时的讨论，与会专家一致认为Ewin的经典算法是正确的。

通用量子计算机还有多远？

2019年9月，新兴量子技术国际大会的白皮书将面向规模化、实用化方向演进的量子计算的研究路线概括为：

第一阶段是实现量子霸权，量子计算模拟机具备针对特定问题超越传统超级计算机的计算能力，其中第一阶段又可以分出两个阶段，分别为量子霸权阶段和NISQ（含噪声的中型量子）阶段，NISQ时代是量子霸权的第二阶段，具备50-100个量子比特的量子计算机将研发出来，可以执行超越当前经典计算机能力范围的任务，使用含噪声的中型量子技术的设备将成为探索多体量子物理学的有用工具；

第二阶段是实现具有应用价值的专用量子计算模拟系统，并在组合优化、机器学习、量子化学等方面发挥巨大作用。面向具体领域的专用型量子计算机有望率先成熟并获得应用落地，实现几百个量子比特的操控，研制专用的量子模拟机用于高温超导机制、特殊材料设计等目前经典计算机无法完成的工作；

第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，并在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥重要作用。通用量子计算机通过把物理量子比特编码成逻辑量子比特，实现可编程通用的量子急速三级，最终在大数据处理、人工智能、密码破译等领域产生颠覆性影响。

从上可见，量子计算机的发展过程还很漫长，距离真正可商业化还有很长的距离，量子计算商用化目前面临的挑战主要有：

1、量子位是否可以实现规模化扩展，这在理论研究和工程建设两个层面都是重要挑战，量子位规模化扩展势在 行，现在虽然只是几十个量子位，未来要解决几十万甚至上百万量子位的问题，量子计算商用化的成功与否的决定性前提；

2、学界和工业界目前都在开发各种固态量子系处理器，技术路线无统一定论，商用层面的通用量子计算技术的统一标准更无从谈起；要谈量子计算的商业应用，必须要配备严格的环境控制，例如需要构建严格而稳定的低温环境，才能保障大量量子位稳定运行；软件堆栈的演化面临巨大挑战，既需要能够将算法投射到问题本身，又最终可以让高稳定性和可靠性的量子系统在真实应用场景中解决问题。

量子计算机从理论上来说，完全可以实现。但要真正把他做出来，在实现上有很多技术和工程的难题，比如，量子相干性的保持、量子比特的操控和集成之间的平衡问题、量子测控系统和量子芯片的互联和自适应问题、量子比特的纠错与容错，以及更多量子算法和量子软件的开发问题等。

这些问题很多都是基础工艺和工程问题，还有材料和基础化学问题，短时间难以克服，需要一点点推进。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。