看世界 2019年23期 文/古月一刀

2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”处理器图片。该处理器利用量子叠加和量子纠缠使计算空间指数级增长

“1万年的工作，200秒就被做完”是什么概念？

这就好比，人类s Z O P 1 2 b y社会2000多年公元史，抽根烟的功夫就过去了。搁在过去，如果有人公开这样说，( k : j R ~ :可能会被当成疯子。

然而，就在2019年10月，真的有人公开这样说了，而且他还来自有“最伟大公司”之称的谷歌。

不出所料，业界引起了一波“强震”。有人拍手叫好，感叹科技革命来了。有人心生疑惑，质疑是否r 1 Y X p # 8 V噱头。但不可否认的是，谷歌人的这波操作，把有关计算机的未来形态方面的讨论，大大方方地摆在了人们的面前。

量子计算

谷歌人是在《自然》杂志上发起这一讨论的。

10月23日，谷歌的工程师发表了一篇论文《Quantum Supremacy Using a ProgH g b ^ 4 3 prammable Su` g b $ Q !perconducting Processor+ i K u I y x # V》，表示开发的53位量子计算机Sycamore，在200秒内完成了Summit（世界上最快超级计算机）需要花1万年时间才能搞定的特定问题计算。谷歌声称，通^ p # & C过这台量子计算机实现了量子霸权（Quantum Supremacy）。

量子计算机至少需要49个量子比b 3 1 U特，才能达成“霸权”目标。

等等，这段话的信息量有点多，我们来梳理一下。

先从常 8 E A H L & %见的超级计算机开始。简单来说，相比于我们使用的个人计算机，超级计算机就是能执行一般个人电脑所无法处理的运算的计算机。

中国也曾% c C E Y v y研发出世界第一的超级计算机“神威太湖之光”，但之后接连被美国的Sierra和Summit超越。在超算领域，中美日欧是头部玩家;超算5T / g y00强中，中国占了四成，美国占了两成。

下一个问题，被称为“次世代计算机”的量子计算机是什么？

首先我们要明确的一点是，无论是经典计算机还是量子计算机，都是用0和1二进制序列保存数据的。在经典计算机中，0和1由不同的电压实现，0代~ 8 ( g y 5 K表低电压信号，1代表高电压信号，二进制序0 R Z q P . ?列由一个高低电压交错的脉冲实现。

在经典世界中，我们只能同时拥有一个状态。如果拥有了001态，我们就不能同时拥有010态D v K。但在C $ P w O C R量 U q 0 r h P子世界中，我们可以k 2 { a C得到叠加态。与经典算法不同，量子算法不用传统的单线程计算，而可以并行计算。这就使z y i & t Q n x R得量子计算的效率大大提高了。

量子计算机，简单地说，它是一种可以实现量子计算的机器。并行计算是量子计算机实x * F 2 ,现算力突破的最大武器。1982年，由美国著名物理学家理查德费曼提出的利用量子體系实现通用计算的新奇想法，在计算机的发展中不断得以验证。

看似爆w } 8炸性的新闻背后，实际上是人类长期在计算机领域不惜成本投入与研发的结果，直到今天谷歌公司真正实现算力突破，时光已经走过了37年。这不是一个短暂的时段，也不是一家公司的丰功伟绩，谷歌只是站在无数巨S P { f =人的肩上，未来也同样会成为其他人I _ | ; z v &的垫脚石。

最后来谈谈量子霸权。霸权听上去很唬q s m b人，其实也没有那么可怕，比如把Supremacy翻译成“优势”的时候。

它主要是指，在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务，比如美国民主党的总统参选人杨安泽所说的破解密码—一天之内破解原本几万年才能破解的密码，等等。

巨头发难

一般观点认为，量子计算机至少需要49个量子比特，才能达成“霸权”目标。

而这次谷歌的Sycamore由54个transmon量子比特的二维阵列组成。为了完全控# k $ d F ~ l N制这个量子处理器，谷歌还精心设计了277个数模转换器。

Sycamore使用铝制造，芯片被引线连接到超导电路板上，并在稀释制冷装置中被冷却至20mK以下。这一温度只比绝对零度高2%度，之所以U u K温度要这么低，是为了将环境热能降到大大低于量子势能的程度，防止外界热量干扰量子处理器。

窃听量子; D i | X 8 x b +密钥会造成量子态溃缩，从而使加密E . ~ { 2密钥无法传输。

谷歌在《自然》杂志上这样说：“我们使用具有6 + c & a +53个超导量子比特的可编程处理器，占用状N 5 s n * ! R q `态空间为2^53≈10^16。”

53个量子比特拥有什么样的算力？据悉其一共可以模拟1016种状态，这是个早已j 3 S t ? v G超出当今超级计算机运算能力的数字。

如此令人吃惊的成就被公o R 7 o Q X a @ r之于众，欢呼之后，接下来更k n 6 ` M S _ l O多要接$ l K : : ] ` { +受公众的打~ – S v + | M r量与审视。

美国斯坦福大学量子物理学家帕特里克海登坦言，谷歌的量子比特处理器可能具有很强的计 M @ S [算能力，以至于传统方法无法模拟。但这场实验给出的答案，在传统机器上是无法验证的，所以我们很难确定谷歌的设备是否做得正确。

“当然，谷歌量子计算研究团队是一群严肃的科学家，他们会尽其所能来确定这一点。”海登补充道。

学者们的发言还算是客气的，相较之下，谷歌在量子领域的主要对手IBM则“火力全开”了。

IBM方面迅速写了一篇论文《Leveraging Secoq e & p 2 # { ( 2ndary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》，表示在超级计算机上仅需两天半，就能完成谷歌在论文中所谓的1万年才能完成的计算。在未来，传统计算机和量子计算机应该是各有任e t 1 y $ 2 w ] 4务，而不是前者被“吊打出局”。

IBM这篇火速反击的论文，结果只是估算出来的，并未有实际的测试，所以力度稍弱。退一步来说，就算超级计算机只需两天半，量子超算200秒的运算速度也是领先几个身位的存[ j !在。

当然，“1万年对200秒”的对n ^ `比实在是太过吸睛r T C Q，IBM领头后，一些业内人士也开始发声质疑谷歌。对此，谷歌首席执行官桑德尔皮查伊表现得“云淡风轻”。他说：“首架飞机仅仅飞行了12秒钟，所以没有实际的应用价值。但这显示出飞机是可以飞的。”

作为行业内的r | } Y i | 2竞争者，两大巨头的争议孰是孰非，缺乏$ U 1 d ` G u T专业知识背景的一般读者可能难以评判。但是抛开技术争议& 1 ) F K z * 0 c，量子计算相较于传统计算所具有的颠覆性和革命意义，展示出人类突破计算处理极限的令人振奋的前景，这一点没有人否认。

从这个意义上讲，谷歌的一小步，配得上“人类的一大步”。

“矛”“盾”之争

超算领域，中美两强争霸，一个最多，一个最快，可谓是针锋相对，旗鼓相当。到了量子计算领域，美国取得了巨大突破，中国呢？

有人说，中国的% = 3 8 ) W g a突破更加实用，不O : F . M m信你看看民间“量子波动速读”“量子治痛经”“量子水杯”… Q = M L T…发展得@ * s & ! U v多么如火如荼啊。

“量子速读”骗局的曝光时间点，恰好撞上了谷歌的突破，这一点不免让国人尴尬自嘲。但说实话，我们也不必太过在意。如同{ P e当年横空出世的“纳米”概念一样，当时中国市场也出现了无数“纳米” 5 ` k @ + 0 ] U保健产品。并非中国量子科研领域不强，这只是骗子们改头换面，再次借了一个流3 S _ q { S M行概念行骗罢了。只要消费者平时多读新闻，自然不会被收“智商税”。

在谷歌人的量子计算机论文发表之前，中国的量子科学一直在稳步前行。一方面，量子技术在理论上是被证实的，业界预言它会在经济V 8 m p Q k / { @、军事、科研、安全等领域建立全方位的科技优势。但另一方面，总有一些不怀好意的人打着科研的旗号，在市场浑水摸鱼，骗取国家经费。这样的事件，在中B 8 [ l V { &国发生的已不在少数。

对于这种前瞻性强、同时实用性有部分k 5 W J争议的技术，中国应用得非常– @ 7 % V谨慎。

如今的量子领域，在量子计算机方面，美国处于领跑状态是毋庸置疑的。早在两年前，IBM就发布了50比特量子计算机样机。随后的2018年，英特尔发布49比特量子芯片，谷歌推出了一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone。

但在量子通讯方面，中国则不甘落后。量子Y 4 b @ Y 9通讯的理论基石是“量子退相干”理论，具体可以解释为：窃听4 | f 3 V % + d量子密钥会造成量子态溃缩，从而使加密密钥无法传输，那么加密方就能发现有第三者窥探，可立即终止信号传输。

2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子号”成功/ @ X a S Q 5 A发射，并首次成功实| . n Z 4 B – ? M现千公里级的星地双向量子通信。这项技术据称领先国际相关技术水平至少5年。当下，中国量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二。{ } y e – W ~ V #

有人这样评价，量子计算领域比较有“r ? % @ l进攻性”，z b ~ x s $ N , W如同一支矛。而量子通讯更贴r 0 i f , a 5 {近防守，像一面盾。中美两国现在的科研情况，如同“矛”“盾”，各有进攻和防守。

但在“算力即权力”的信息社会，谁的计算能力更强，谁就会掌握量子霸权l ? j W `，主导未来社会的发展方向。从这个层面看[ ; 0 G Y & J [，在中美频繁交锋的{ g !历史节点，这是一场谁都不愿输掉的比赛。

国内的话，中国科技大学在量子领域的积累最为深厚。中国科学4 9 4 w B f t p p技术大学超导量子计算研究员黄浩亮日前受访表示，量子计算在中国起步较] i u , U S晚，9 R J现在仍在努力赶超美国。但在明年年底0 A n # ^ ~，致力于50位量子计算技术的中国研究人员有望触及“W _ X s量子霸权”。

量子科学，也被称为和平时代的“核力量”，在一个“算力为王f [ F U U D 3 9”的互联网时代，量子计算技术一旦获突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安V Z m 6 / C p l全等领域崛起成为超级强国。在这种力量的威慑下，现在的银行安全体系、互联网账号体系、各种加密通讯都形同虚设。

毕竟，没有9 T j密码可以经得住“1萬年运算”的考验。h n c E & n