原标题：Google凭新型计算机登上量子领域的“传奇sf变态版”？ 来源：腾讯新闻

Google科学家使用53量子比特计算机解决的问题只能算是绣花枕头。对于分解一个20位的半质数，谷歌的量子计算机束手无策，而随手一台笔记本用几毫秒就能完成。

19世纪的最后一天，英国著名物理学家开尔文男爵回顾物理学发展时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”前者促成了爱因斯坦的相对论，而后者推动了量子论的诞生。

人们对量子计算领域的发展看法各异，支持者认为量子计算机进步一日千里，有朝一日必将举世无敌。而反对者则坚信经典计算机尚有潜力，无法代替。究竟是旧王已死，新王当立？还是老骥伏枥，志在千里？Google量子计算机能否实现量子霸权？又能否直面图灵理论的挑战？时间会给我们答案。

原文来自Medium，作者Ethan Siegel

上个月（2019年9月）有消息爆出科技巨头Google研发的新型量子计算机已实现量子霸权。尽管如今的笔记本电脑，智能手机和超级计算机功能强大，但仍有许多复杂的未解之谜，其算力要求是现有设备望尘莫及的。

如果有了量子计算机，这些难题将迎刃而解。量子计算拥有的计算能力超越所有经典计算机，就视作量子霸权。Google真的做到了吗？让我们来一探究竟。

图注：固态存储设备基于数字电路的通电和断电两种状态实现运算。对电路来说，表现为0或1。微观量子构成量子比特，量子叠加使得量子比特可同时处于0和1状态。

经典计算机的原理很简单，可以追溯到图灵算法和图灵机的概念。通过将信息编码为比特（bits，即0和1），然后添加指令（例如与、或、非等）进行计算。计算的复杂程度取决于问题难度。理论上讲，只要一种算法能成功执行计算，不考虑计算成本，都可以将其编程到经典计算机。

与之不同的是量子计算机使用量子比特（qubits：量子比特与经典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性）或量子（quantum，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。）模拟比特代替常规比特，而量子世界将带来翻天覆地的变化。

图注：这种离子阱的设计灵感来自沃尔夫冈·保罗，是离子阱用于研究量子计算机的早期实例之一。照片拍摄于2005年奥地利因斯布鲁克的一个实验室，展示了当时的量子计算机组件设置。离子阱计算机的计算速度比超导量子计算机慢得多，但它们的相干时长（Coherence Timescale，信道保持恒定的最大时长范围）也要更长。

量子比特不再是非黑即白的0或1，而是用基态（ground state，指在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态）代表0，激发态（excited state，原子或分子吸收一定的能量后，，电子被激发到较高能级但尚未电离的状态）代表1。例如，电子自旋可以向上或向下，光子极化可以左旋也可以右旋。在初始状态和读取最终数据时，量子比特还是会以确定的0或1呈现，就像使用经典计算机的常规比特一样。

与经典计算机不同，执行指令时量子比特的状态并不确定，而是0和1的叠加态，类似于可以既是死的又是活的薛定谔的猫。只有计算结束并且读出最终结果，最终状态才得以确定。

图注：薛定谔的猫：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态，但是不可能存在既死又活的猫，必须在打开箱子后才知道结果。

经典计算机和量子计算机最大的差异在于预测、确定性和概率。与其他量子理论体系一样，不能简单凭借初始条件、算法预测出最终状态。只能预测最终状态的概率分布，然后通过反复进行关键实验，最后匹配并得出预期结果的分布。

可能大家会觉得模拟量子活动必须使用量子计算机，其实非也。图灵机或者一台经典计算机一样可以做到。

图注：算力允许的情况，计算机程序可以穷举分析已有的梅森素数，检验其是否是一个完全数。对于小数字，这种运算在传统计算机可以轻松实现，但大数字就要求极高的算力。

这就是计算机科学当中最具影响的理论之一，图灵原理。图灵认为只要某个问题能由图灵机解决，也就一定可以由其他计算设备解决，可以是笔记本电脑、智能手机、超级计算机甚至是量子计算机。任一设备能够解决的问题也可以在其他设备上得到解决。如今图灵理论已被普遍接受，只是对计算速度或者效率只字未提，也就忽略了量子霸权。

图灵理论的延伸更具争议。该理论认为图灵机始终能够高效地模拟任意计算模型，哪怕是量子计算。只要有一个反例，证明量子计算机效率远高于经典计算机，就可以证明量子霸权的存在。

图注：IBM的四量子比特方阵电路可谓是量子计算领域的集大成者，其算力假以时日有望模拟整个宇宙。如今量子计算仍处于起步阶段，如果现在就能验证量子霸权，将是量子领域的又一座丰碑。

众多科研团队各自为战，希望设计出一款性能远超经典计算机的量子计算机。这并非是白日做梦，因为经典计算机的所有信息处理都要经过多种经典运算，包括熟悉的与、或以及非等等。

而量子计算机处理的是量子比特，除了经典运算之外，还可以进行量子运算。这种计算的运行条件也可以应用在经典计算机，只不过运算成本高昂。另一方面，只要运算时间明显短于量子比特的相干时长，这种计算对量子计算机不费吹灰之力。

图注：量子计算机中处于激发态的量子比特将在相干时间后退回基态，此时如果计算没有全部完成，则会造成计算错误。

有鉴于此，Google在NASA网站上发表了相关论文（也可能是最终论文的草稿）之后不久，又将其删除，不过许多科学家还是阅读和下载了这篇文章。虽然现在尚不清楚他们的成果会有何影响，这里给大家提供一种思路。

试想，有5个比特或量子比特的信息，显示为0或者1，他们的起始状态都是0，但我们想把其中两个比特或量子比特激发为1。如果可以完全控制这些比特或者量子比特，比如将1号比特与3号比特激发为1，最终它就变成了10100。接着可以添加随机指令，从而得到对应的概率分布结果。

图注：如图所示是一个九量子比特量子电路，灰色区域代表铝板，深色区域表示铝被蚀刻的部分，各种颜色用于区分不同的电路元件。此类计算机使用超导量子比特，必须在毫开尔文级温度（degree kelvin，开尔文温度和人们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度的符号））下保持极低温，且运行时长需远低于50微秒。

Google为实现量子霸权采用特殊协议，要求执行运算之后，已被激发的比特或量子比特数量保持不变。由于运算是完全随机的，激发态和基态是可以互相转化的，只要保证五个量子比特仍是由两个1和三个0组成。除非完全执行随机操作并且以纯量子运算的编程方式实现，那么5个量子比特的10种最终状态将会均匀分布，即11000，10100，10010，10001，01100，01010，01001，00110，00101和00011。

但是真正意义上的量子计算机不会得出平坦分布（flat distribution）。某些状态在最终结果出现的频率会更高。这是一种非常典型的反直觉结果，源自量子现象（quantum phenomena，量子力学的一些特性显示出来的现象）以及纯量子门（quantum gate，一个基本的，操作一个小数量量子比特的量子线路）的自身特性。这种现象同样也可以模拟，只是需要投入巨大的计算成本。

图注：以10100开始实验，并经过10次耦合脉冲（coupler pulse，比如量子运算），10种状态并不会均匀分布，而且有极端高值。根据量子计算机结果，即可确定其是否符合预期的量子活动。

即使在量子计算机仅使用经典比特门（classical gate），仍然无法摆脱量子效应（quantum effect，在超低温等特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象）。尽管我们看到实际的概率分布并不均匀，某些状态显著高于预想中的10%，而另一些则低于10%。这些极值的出现源于典型的量子现象，而极值出现的概率本身就是量子活动的重要标志。

在量子计算领域，至少有一个最终状态出现概率极低，而且同样遵循特定的波特·托马斯分布（porter-thomas distribution）。如果量子计算机状况良好，就可以执行任意多次运算，再读取结果查看是否符合预期的分布情况。

图注：波特·托马斯分布，图中所示为第5、6、7、8、9量子比特在特定量子比特数量与可能状态下得出指定运算结果的概率。直线代表预期的量子结果。如果运行量子电路总时间过长，结果则会与经典计算机一致，比如图中绿线，也不再符合波特·托马斯分布。

目前的量子计算机还存在许多问题。无论是Google的超导量子比特，还是量子点或者离子阱式计算机，所有量子系统都要考虑相干时间，指特定量子比特能够一直保持激态的时间。之后量子比特将衰减为0。

量子运算必须精确把控时间，即门时间（gate time）。相比相干时长，门时间必须非常短，否则最终状态就不是想要的结果。与此同时，量子比特越多，设备越复杂，而出错误串扰的可能性就越高。为了得到准确的结果，必须在退相干之前，将所有量子门应用于整套量子比特。

超导量子比特目前的稳定时间仅在50微秒左右。在约20纳秒的门时间内，最多也只能进行几十次计算，随后退相干就会干扰实验，带来令人避之不及的平坦分布，设计的量子活动也不复存在。

图注：理想化的五量子比特设置，1号和3号量子比特初始设为激发态，经历10次独立的脉冲（量子门）然后得到最终结果。如果通过量子门的总时间比退相干时间短得多，就能够获得与预期相符的量子计算结果。

可惜Google科学家使用53量子比特计算机解决的问题只能算是绣花枕头。特殊的设置仅适用于量子计算机，但对经典计算机来说消耗巨大。具体方法是构建一套含有n个量子的比特系统，却需要占据经典计算机2^n的内存模拟，而且专门挑选经典计算机计算成本高的运算指令。

原始算法由一个科学家小组提出（其中有数位Google团队的现任成员），提出实现量子霸权至少需要一台72量子比特计算机。由于72量子比特尚未实现，所以大家只好选择53量子比特计算机，同时用fSim门（CZ同iSWAP门的结合体）替代原本易于模拟的量子门CZ，而fSim门在经典计算机上的模拟成本也更高。

图注：量子门类型不同，精度（无错门的百分比）也不同，经典计算机所需的计算成本也不同。选择CZ门实现量子霸权需要72量子比特。而iSWAP门只需要53量子比特。

许多图灵理论的忠实拥趸认为只要算法足够先进，此类问题在经典计算机上的计算时间也会缩短。虽然前途难测，但这或许能成为量子霸权理论的又一潜在对手。

不过Google已经实现了量子霸权，量子计算机计算这个特定数学问题的速度远远超过美国最先进的超级计算机。而量子霸权的真正出现，将实现高性能量子化学与量子物理学计算，替代经典计算机以及对任意数字运行舒尔算法（Shor’s algorithm，给定一个整数N，找出它的质因数）。

量子霸权的可实现并不意味着这项技术已经完全成熟。对于分解一个20位的半质数，谷歌的量子计算机束手无策，而随手一台笔记本用几毫秒就能完成。

图注：Sycamore处理器是一个包含54量子比特的矩形阵列（因为有一个量子比特无法使用，也就是一款拥有53个有效量子比特的系统），耦合器将邻近的4个量子比特连结。上图展示Sycamore芯片尺寸和颜色。

量子计算成果喜人，毫无疑问更高量子比特数的系统已指日可待。量子纠错也需要更多量子比特并解决其他一系列复杂的问题，比如延长相干时长并执行更深层次的计算。

Google团队自己也说：

我们的实验证明可能图灵理论存在问题。量子处理器在多项式时间内能够完成对一个随机的量子电路采样，然而经典计算机目前还无法做到。

随着第一台可编程量子计算机的诞生，通过量子比特处理经典计算机无能为力的特定任务，正式宣告量子霸权的到来。Google团队之后将发布更为详尽的实验结果，这项成就无疑会被载入史册。量子计算的研究之路漫漫修远，仍需吾辈上下而求索。