量子计算和量子霸权到底是什么

[X]2019年，有两件事把量子计算推到了人们关注的焦点。一个是IBM在年初的国际消费电子展(CES)上展出了最新的量子计算机模型，将这一科技成果引入大众视线；另一个是谷歌在杂志《自然》上发文，宣称“量子霸权”，引起了一系列口水战。

量子计算风头正劲[X][X]2019年1月9日，IBM最新的量子计算机被密封在一个2.3米高的玻璃展示柜中，许多媒体称它看起来像一件精致的艺术品，当时IBM声称这台艺术化的Q System One量子计算机是“世界上第一台为科学和商业用途设计的完全集成的通用量子计算系统”。其实所谓的“商用”就是IBM传达的意思：之前被锁在几十平米计算中心的量子计算系统，已经以集成的方式交付使用。但由于其运行条件苛刻，冷却设备复杂，缺乏实用性，还远未达到真正意义上的商用。

谷歌宣布“量子霸权”更受关注。2019年10月23日，在英国杂志《自然》上，谷歌发表了一篇题为《Quantum supremacy using a programmable superconducting 尚力财经小编2022processor》(可编程超导处理器的量子霸权)的论文，向世界宣布了谷歌的突破性成就，并帮助其率先实现了量子霸权。

论文中提到，Google团队开发了一种由54个量子比特组成的量子处理器，命名为“Sycamore”(译作：Sycamore)。在团队设计的对量子电路产生的随机数进行采样的独占任务3354中，Sycamore在大约200秒的时间内从量子电路中收集了100万个样本(一个量子位在测试中未能有效工作，实际只使用了53个量子位)。根据谷歌的说法，这项任务由一台尖端的超级计算机完成大约需要1万年。

量子计算到底是什么？

针对这个问题，上海交通大学集成量子信息技术研究中心主任金贤民教授在接受《中国经济周刊》采访时表示，量子计算机的构想可以追溯到上世纪80年代初。1981年，著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德费曼(richard feynman)在麻省理工学院作了题为“用计算机模拟物理”的讲座，提出了利用量子特性模拟物质世界实际问题的思想，从而实现并行高效的计算和求解。金贤敏教授解释说，“量子”不是特定的粒子，而是指满足量子力学定律的各种体系。在经典计算机中，0和1的区分是通过集成电路中电路的通断来实现的，而量子计算机的量子位是通过量子双态系统来表示0或1。与经典计算机中的位不是0就是1不同，量子位是量子态的叠加，可以同时是0和1。它天生的并行性可以加速许多计算任务。

什么是量子霸权？

“量子霸权”一词最早是由美国理论物理学家约翰普雷斯基尔(John Preskill)提出的。2012年，他在《Quanta》 (Quantum)杂志上把“量子霸权”定义为：量子计算机做一件经典计算机做不到的事情时的关键节点，不管所做的任务有没有实际意义。约翰普雷斯基尔认为，根据谷歌论文，他最初表达的“量子霸权”状态已经满足。只是这个词本身，一方面是因为“霸权”的政治歧义而被误解；另一方面，加剧了对量子技术发展的过度炒作。

金贤敏也认为，谷歌论文中的成果符合“量子霸权”的定义，是人类计算能力史上一个显著的里程碑。然而，目前用于论证所谓“量子霸权”的代表性任务，只是以一种非常特殊的方式解决了一个非常具体的问题。金贤敏强调，“相对于一个具体的只显示随机电路采样的优越算法，如何扩展和挖掘更全面的实用量子加速算法，更具有广泛性和实用性。

无独有偶，英特尔研究院院长理查德乌利希(Richard Uhlig)曾说，“我认为量子计算的真正目标不是实现量子霸权，而是实现量子实用化。”你可能不知道的中国

量子计算

量子计算吸引全球科技巨头，各国都看好量子计算的潜力。我国的科研人员和企业也不例外。近年来，他们在许多技术道路上进行探索。2016年发布的“十三五”国家科技创新规划中，量子通信和量子计算机被列入“科尚力财经小编2022技创新20303354重大工程”；在2017年“十三五”国家基础研究专项规划中，量子通信和量子计算机被列为“关系我国未来发展的重大科技战略任务”之首。

此外，计划于2020年在安徽合肥开放量子信息科学国家实验室，这将是世界上最大的量子研究机构。从我国量子计算研究的现状来看，金贤敏表示，我国是量子计算的重要参与者，很多研究团队已经接近国外顶尖团队。

据最新消息，2019年底，潘建伟等人与德国、荷兰科学家合作，首次实现20光子输入6060模干涉线的玻色取样量子计算，这是世界上最先进的记录。金贤敏补充说，光量子芯片技术的发展可以通过在芯片上构建数百甚至数千个图案来扩展量子计算资源。还可以在玻色采样等任务中演示我们国家常说的所谓“量子霸权”或“量子优势”。

借鉴国外“产学研”合作模式，国内首个量子计算产业联盟于2019年12月12日正式成立。联盟的领导者是国内第一家以量子计算机为主营业务的初创公司。据袁泉量子副总裁张辉介绍，联盟合作伙伴包括高校和科研机构；应用或产业链中的企业，如人工智能、生物医药、区块链、低温制冷等领域；以及量子计算方向的同行。

国内几大科技公司近年来也纷纷布局量子计算。阿里巴巴达摩院量子实验室发布量子计算云平台，推出量子模拟器“太章”；百度研究院量子计算研究所开展量子计算软件和信息技术应用研究；腾讯实验室进行量子AI、药物研发等领域的研究；华为还推出了HIQ量子云平台和“昆仑”量子计算仿真一体机。

未来大趋势

阿里达摩院发布的2020年十大技术趋势中，第七大趋势是量子计算进入关键时期。阿里达摩院认为，量子计算正处于从实验室到实际应用的过渡阶段。2020年，量子计算将蓬勃发展，主要特点是技术攻关，加速产业化。在技术方面，谷歌在硬件方面的进步大大增强了业界对超导路线的乐观预期，也对光量子、离子阱等其他硬件路线造成了严峻的压力。阿里达摩院预测，2020尚力财经小编2022 年，许多追赶者将“要么做出令人钦佩的复制成果，要么陷入高度复杂的工程噩梦”。

作为两个最关键的技术里程碑，容错量子计算和展示实用量子优势将是实用量子计算的转折点。

容错量子计算是指通过量子纠错来避免硬件错误的积累。量子计算创业公司Xanadu将量子计算的应用前景总结为量子优化、量子机器学习、量子化学、量子金融四个方面。可用于解决物流供应链的最优路线、快速准确的医疗诊断、互联网搜索的优化、量子人工智能、药物和新材料的发现、高效的风险分析、投资决策和金融服务等实际问题。

不久前，在年的CES展台上 仅从2019年的公开信息就可以看出，美国、印度、德国、韩国、澳大利亚、加拿大等国家已经投入上亿元人民币支持本国量子计算的研发。中国的量子信息科学国家实验室也将在2020年快速增长。

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