量子计算机（Quantum computer）是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。与传统的电子计算机不同，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它用量子算法来操作数据。
‘量子计算优越性’（Quantum Advantage），往往被称为‘量子霸权’（quantum supremacy），希望利用量子计算机来解决古典电脑难以解决的问题。虽然这个问题本身未必需要有实际应用，但是量子计算优越性在利用量子电脑来解决实务问题上能比古典电脑更快而带来的优势。因而，从计算复杂性理论的角度来说，这通常代表量子电脑相对最佳古典算法的加速是超多项式的。“量子计算优越性”这个术语最初是由约翰·普雷斯基尔于2012年提出。但是量子计算优势的概念（特别是用于模拟量子系统）可以追溯到尤里·马宁（1980）和理察·费曼（1981）提出的量子计算建议。
近日，谷歌宣布，他们在功能齐全的实用量子计算机研发上取得了重大进步，实现了量子霸权（优势），即超越目前世界排名第一的超级计算机。
他们的研究显示，他们的名叫Sycamore的量子计算机，在短短6秒，完成世界最先进计算机47年的计算量！这项研究最近发表在预印本网站ArXiv上。
该论文称，谷歌最新Sycamore量子处理器目前拥有70个量子比特，而2019年版本只有53个量子比特。显然，量子比特的增加，意味着可以成倍地提高量子计算机的性能，这使得新处理器的稳健性大约是以前的2.41亿倍。
这项最新研究标志着，量子计算迎来里程碑时刻。凭借其计算优势，谷歌的量子计算机有望彻底改变包括人工智能在内的各个领域。以前所未有的速度解决复杂问题，有望解锁下一代人工智能模型，突破许多领域从未超越的界限。
47年被凝结成一瞬间
每个量子比特可以同时存在于0、1或叠加的状态，因此存储和处理这种级别的量子信息的能力很不容易，即使是最快的经典计算机也无法比拟。
谷歌团队在这篇论文中表示，量子计算机有望执行超出经典计算机能力的任务。‘我们根据改进的经典方法估算了计算成本，并证明我们的实验超出了现有经典超级计算机的能力’，谷歌团队的研究人员说。
就算是田纳西州的Frontier超算（这已经是目前全世界最快的超算了），也碰不了量子计算机的瓷。当然前提是量子计算机释放出自身的潜力。因为传统的计算机用二进制的代码语言运行，仅限于0和1，以及双重状态。而量子计算机超越了这个限制。
不过，目前研究人员还不能确定谷歌量子计算机的制造成本究竟是多少。但变革性的计算能力是毋庸置疑的。根据谷歌团队的说法，Frontier超级计算机只需6.18秒即可匹配谷歌-53量子比特计算机的计算结果。然而，同样的一台Frontier则需要47.2年才能与谷歌最新的70量子计算机所能提供的的计算能力相匹配。
重大里程碑
领域内的许多专家都认为谷歌的新量子计算机是一项重大进步。
剑桥量子公司Riverlane的CEO Steve Brierley将谷歌的进步称为一个‘重大里程碑’。‘量子霸权？这个问题我们不用再争论了。’
同样，苏塞克斯量子技术中心主任的一位教授赞扬谷歌解决了传统计算机难以计算的某些特定学术问题。他强调，在我们眼前关键的下一步，是创建能够纠正自身固有操作错误的量子计算机。
虽然IBM目前尚未对谷歌最新的量子计算机置评，但明显，谷歌在量子计算领域的这一进展引起了全球研究人员和公司的共同关注。
开辟新前景
毫无疑问，这将为计算技术的发展开辟新的前景和竞争。
研究中，谷歌团队提到噪声与相干演化相竞争，并破坏了长程相关性，这使得充分利用近期量子处理器的计算能力成为一个巨大的挑战。
研究人员进行了随机电路采样（RCS）实验，在这些实验中，他们确定了由量子动力学和噪声之间的相互作用驱动的不同阶段。
在量子计算中，这涉及通过运行随机电路，并分析结果输出来测试量子计算机的性能，以评估其解决复杂问题的能力和效率。
在电路深度的驱动下，系统首先经历动态相变，其中输出分布不再集中在比特串的一部分中。第二个是由噪声驱动的转换。
利用交叉熵基准，研究人员观察到了阶段边界，这可以定义噪声量子演化的计算复杂性。在模拟的估计计算成本，比起经典计算机，53量子比特完成1百万个噪音样本比其快6.18秒。而70量子比特要快47.2年。
表1，估计的模拟计算时间列表
最后，谷歌团队展示了一个24周期70量子比特的RCS实验，估计保真度为 1.7 -107%，这意味着在相同保真度下，电路体积增加了约 60%。谷歌根据改进的经典方法估算了计算成本，并证明了新量子计算机有着超出了现有经典超级计算机的能力。
谷歌团队表示，尽管迄今为止RCS已经取得了成功，但寻找近期噪声量子处理器的实际应用仍然是一个突出的挑战。他们进行的实验就提供了量子动力学如何与噪声相互作用的研究。
他们观察到的相界为高噪声量子器件能够正确利用其计算能力的7个体系提供了定量指导。在弱噪声阶段，全局相关性主导XEB，这一事实保护了RCS免受欺骗的攻击，这些都是未来应用的设计方向。
‘量子霸权’成乌龙？
其实，早在2019年，谷歌便声称实现了量子霸权。
研究人员在NASA网站上发表的论文一经发布，便引起了轰动。当时的论文称，谷歌处理器能够在3分20秒内执行一个计算，而用当今最强大的超级计算机Summit进行同样的计算，需要约10000年。随后，谷歌这篇论文正式在Nature上重磅发表。到目前为止，该论文已经被引用6225次！
该论文通讯作者 John Martinis 和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。他们研制了一台由54个量子比特组成的处理器 （名为 Sycamore 处理器）。
该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比，实现了指数级的增加。由于有1个量子比特无法有效工作，处理器实际只用了53个量子比特。
为了测试该系统，团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。对于经典计算机来说，这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后，量子处理器在 200 秒左右的时间内从量子电路中采集了 100 万个样本，而当今最强大的超级计算机大约需要 1 万年的时间才能完成这一任务。《Nature》杂志表示，‘谷歌实现量子霸权无疑是一项了不起的成就’。
然而，针对谷歌‘量子霸权’事件的批判和质疑也随之而至。IBM 团队写道，‘在一个经典的系统上，同样的任务的理想模拟可以在 2.5 天内完成，而且保真度要高得多。’ 这意味着谷歌实际上并没有表现出量子霸权，而且竞争仍在继续。
尽管在外行看来，可能这个结果并不理想，但对于量子领域的科学家而言依然意义重大，因为其第一次直观地展示了「量子霸权」的威力。
时隔五年后，以超级计算机为代表的传统计算机也获得了井喷式发展。
在 2023 年 6 月发布的最新的超级计算机排名榜单中，第一名是由美国 AMD 和 HPE Cray 联合制造的 Frontier 超级计算机，理论最大吞吐量达到 2 exaflops，即每秒两次 quintillion 计算， 这意味着其计算能力达到了 Summit 超级计算机的十倍。
但在量子计算机的降维打击下，「再粗的蚊子腿也拗不过大象」，二者之间的差距也变得愈加悬殊。
Google 研究团队称，Frontier 超级计算机需要 6.18 秒即可匹配 Google -53 量子比特计算机的运算结果，而匹配 Google 最新研制的量子计算机，Frontier 超级计算机至少需要花费 47.2 年。
多领域应用前景
以下是未来量子计算机在八个领域的具体应用：
- 在药物领域，使用量子计算机或许可以根据病毒在不同人群中的传播途径，精准预测它们的变异方向并提前设计出特效药。
- 在密码学领域，破解 1024 位长的 RSA 算法，传统计算机可能需要几十万年，而用一台 512 量子比特的量子计算机理论上可以做到 1 秒破解。
- 在生物领域，通过量子计算机整合基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表型组的多套数据，重新定义一个物种是未来的研究重点和难点。
- 在天气预报领域，使用量子计算机能大幅提高对天气预报的实时测算，进而大幅提高预报准确率和延长预报天数。
- 在自动驾驶领域，汽车上配备量子计算机，能够精准测量和运算出安全和舒适的驾驶场景所包含的要素。
- 在辅助设计领域，量子计算机通过连接人脑，将人脑所想画面呈现于屏幕上，然后通过简单的选择，即可完成专业水准的设计。
- 在财务管理领域，量子计算机运算各类变量和参数，从而预测一个巨复杂系统的走向，甚至能够测算出金融风暴发生的概率，做到未雨绸缪。
- 在生物演化领域，使用量子计算机或能建立时间分辨率为年、甚至天级别的地球历史。
当然，关于量子计算的应用还有很多，如果想体验更多具体落地的应用，不妨给予其成长足够的时间，我们都将在未来一一尝试。
参考文献：