許立民，李振華，華興社會，股票市場。據徐立民、李振華、華興社報道，2019年，谷歌率先宣布完成“量子霸權”(quantum superiority)，將量子計算推向大眾視野，在量子計算領域掀起了數千波浪潮。就在最近，中國團隊宣布量子計算機的“九章”問世，是世界上第一個與谷歌的“量子霸權”抗衡的。

《九章》作為一臺76個光子、100種形式的量子計算機，處理“高斯玻色采樣”的速度比最快的超級計算機“富岳”快一百倍萬億倍。歷史上第一次，基于光子的量子計算機的性能超過了最快的經典超級計算機。

同時，《九章》相當于比谷歌去年發布的53位超導量子計算機原型“懸鈴木”快100億倍。這一突破使中國成為世界上第二個實現“量子霸權”的國家，也將量子計算的研究推向了下一個里程碑。

《九章》已經成為世界級的科研成果，關于量子計算和量子霸權的討論再次接踵而至。“量子霸權”就是“霸權”？什么時候才能完成“量子霸權”？

量子霸權競爭

在經典計算機中，信息的基本單位是比特。這些計算機所做的一切都可以合成為0和1的形式以及0和1的簡單運算。與經典計算不同，量子計算是遵循量子力學規律控制量子信息單元停止計算的一種新的計算形式。它最早是由著名物理學家費曼在1981年提出的。

基于量子計算的量子計算機由量子比特或量子位組成，一個量子位對應一種狀態。然而，比特狀態是一個數字(0或1)，而量子比特狀態是一個向量。更具體地說，量子位的狀態是二維向量空間中的向量，稱為狀態空間。

經典計算使用二進制數字電子方法停止運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態。因此，量子計算可以借助量子力學的疊加特性完成計算態的疊加。即它不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態。

普通計算機中的2位存儲一次只能存儲一個二進制數(00，01，10，11中的一個)，而量子計算機中的2位存儲可以堅持同時疊加所有四種狀態。當量子比特數為n時，對n個量子比特進行一次運算相當于對經典比特進行2n次運算。

另外，由于量子糾纏的特性，與目前使用最強算法的經典計算機相比，量子計算機在理論上的一些細節問題上會有更快的處理速度和更強的處理能力。

2019年，谷歌宣布率先完成“量子霸權”。根據谷歌的論文，該團隊將其量子計算機命名為“懸鈴木”，要解決的問題大致可以理解為“判斷一個量子隨機數發生器是否真的隨機”。

懸鈴木包含一個53個量子位的芯片，它可以在200秒內對一個量子電路進行一百萬次采樣，而同樣的計算量需要在世界上最大的超級計算機Summit上用一萬年才能完成。

200秒就是一萬年。如果這是雙方最好的表現，那就意味著量子計算比超級計算有壓倒性的優勢。因此，這項工作也被認為是人類歷史上第一次在實驗環境中驗證量子優越性，被《Nature》認為是量子計算史上的里程碑。

但這部《九章》在“懸鈴木”的根上走得更遠。

懸鈴木的量子優勢取決于樣本數量。事實上，采集100萬個樣本，懸鈴木只需要200秒，超級計算峰會只需要2天。量子計算比超級計算機有優勢。但是，如果采集100億個樣本，經典的電腦仍然只需要2天，而“懸鈴木”需要20天才能完成這么大的樣本采樣。在這樣的條件下，量子計算就失去了優勢。

然而，第九章中討論的高斯玻色采樣問題的量子計算優勢并不取決于樣本的數量。同時，就等效速度而言，《九章》比同軌的《懸鈴木》快一百億倍。按照目前最好的經典算法，《九章》在200秒內采集的5000個樣本，如果用中國太湖之光的話，需要運行25億年。即使使用目前世界第一的超級計算機“富越”，也需要6億年。

另外，在狀態空間上，《九章》在輸出量子狀態空間達到1030這一點上遠遠優于《懸鈴木》。可以說，《九章》的出色表現，堅定了中國作為國際量子計算研究第一方陣的地位，是量子計算領域的一項重大成就。

完成量子霸權是一場持久的戰爭

量子霸權并不具有其含義所表達的政治含義，而是一個簡單的科學術語，是指量子計算機在某一問題上超越現有最強的經典計算機，被稱為“量子優勢”，也稱“量子霸權”。

基于量子的疊加性，許多量子科學家認為量子計算機在特定任務上的計算能力將遠遠超過任何經典計算機。但是，目前來看，實現量子霸權還是一場持久戰。

原因和量子霸權完成的條件有關。科學家認為，當可以精確控制的量子比特超過一定數量時，量子霸權就可能結束成。這包含了兩個關鍵點，一是支配的量子比特的數量，二是支配的量子比特的精準度。只要當兩個條件都到達的時分，才干完成量子計算的優越性。

但是，不管是用54個量子位完成了量子霸權的“懸鈴木”，還是構建了76個光子完成量子霸權的量子計算原型機“九章”，固然人們支配量子比特的數量在不時進步，但人們仍需面對量子計算精準度和不可小覷的超算工程潛力。

其中，量子比特可以維持量子態的時間長度，被稱為量子比特相干時間。其維持“疊加態”（量子比特同時期表1和0）時間越長，它可以處置的程序步驟就越多，因此能夠停止的計算就越復雜。而當量子比特失去相干性時，信息就會喪失。因而，量子計算技術還需求面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特，然后在讀取和控制到達比擬高的保真度之后，去對量子系統做量子糾錯的操作。

同時，經典計算的算法和硬件也在不時優化，超算工程的潛力更是不可小覷。比方，IBM就聲稱，完成53比特、20深度的量子隨機線路采樣，經典模仿完整能夠只用兩天多時間，以至還能夠更好。

正如前述，“懸鈴木”量子優越性的完成依賴其樣本數量。當采集100萬個樣本時，“懸鈴木”將比于超級計算機將具有絕對優勢，而當采集100億個樣本的話，經典計算機依然只需求2天，可是“懸鈴木”卻需求20天才干完成這么大的樣本采，使得量子計算反而喪失了優越性。

此外，很長一段時間里，量子計算機的優越性都只針對特定任務。比方，谷歌的量子計算機就針對的是一種叫做“隨機線路采樣（Random Circuit Sampling）”的任務。普通來說，選取這種特定任務的時分，需求經過精心考量，該任務最好比擬合適已有的量子體系，同時關于經典計算來說很難模仿。www.aihot.net

這意味著，量子計算機并不是對一切的問題都超越經典計算機，而是只對某些特定的問題超越經典計算機，因其對這些特定的問題設計出高效的量子算法。關于沒有量子算法的問題，量子計算機則不具有優勢。

事實上，這也是此次“九章”發明性打破所在。“九章”二次演示的“量子霸權”不只證明了原理，更有跡象標明，“高斯玻色取樣”可能有實踐用處，例如處理量子化學和數學范疇中的特地問題。更普遍地說，控制控制造為量子比特的光子的才能是構建任何大范圍量子互聯網的先決條件。

但總的來說，不管是從量子計算的數量還是精度，是經典計算的潛力或者局限，量子計算和經典計算的競爭都將是一個長期的動態過程。

用人們日常的目光來看，量子物理學中的一些事物看起來“毫無章法”，有的似乎完整說不通。但這正是量子力學的誘人之處，使之成為了科學家們努力的意義所在。關于量子力學的詮釋能夠了解成物理學家在嘗試找到量子力學的數學理論與理想世界的某種“對應”。從更深層的角度來看，每種詮釋都反映著某種世界觀。

人們欣喜于每一次技術的打破，也正是在這些努力中，人類文化才干不時行進。正如此次量子計算機被命名為“九章”一樣，那來自《九章算術》的中國古代教科書般的意義，也寄予了人們對將來世界的想像和愿望。

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