陈根：“量子霸权”在“霸权”什么？

文/陈根

2019年，谷歌率先宣布实现“量子霸权”（量子优越性），一把把量子计算推入公众视野，激起量子计算领域的千层浪。就在近日，中国团队宣布量子计算机“九章”问世，挑战谷歌“量子霸权”实现算力全球领先。

“九章”作为一台76个光子100个模式的量子计算机，其处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。史上第一次，一台利用光子构建的量子计算机的表现超越了运算速度最快的经典超级计算机。

同时，“九章”也等效地比谷歌去年发布的53个超导比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子霸权”的国家，也将量子计算研究推进下一个里程碑。

“九章”得以成为世界级重大科研成果，再一次，关于量子计算、量子霸权的讨论纷至沓来。“量子霸权”在“霸权”什么？我们何时才能实现“量子霸权”？

量子霸权擂台赛

在经典计算机中，信息的基本单位是位（Bit）。所有这些计算机所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的简单操作。不同于经典计算，量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，在1981 年被著名物理学家费曼首次提出。

基于量子计算的量子计算机由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）构成，一个量子比特对应一个状态（state）。但是，比特的状态是一个数字（0 或 1），而量子比特的状态是一个向量。更具体地说，量子位的状态是二维向量空间中的向量，这个向量空间称为状态空间。

经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。于是，量子计算借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加。即不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

普通计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数(00、01、10、11中的一个)，而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为n个时，量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作。

此外，加上量子纠缠的特性，量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机，理论上将在一些具体问题上有更快的处理速度和更强的处理能力。

2019年，谷歌宣布率先实现“量子霸权”。根据谷歌的论文，该团队将其量子计算机命名为“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为“判断一个量子随机数发生器是否真的随机”。

“悬铃木”包含53个量子比特的芯片，仅需花200秒就能对一个量子线路取样一百万次，而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。

200秒之于一万年，如果这是双方的最佳表现，便意味着，量子计算对于超级计算压倒性的优势。因此，这项工作也被认为是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性，被《Nature》认为在量子计算的历史上具有里程碑意义。

而此次的“九章”却在“悬铃木”的基础上更进一步。

“悬铃木”量子优越性的实现依赖其样本数量。事实上，虽然采集100万个样本时，“悬铃木”仅需要 200 秒，超算 Summit 则需要 2 天，量子计算相比于超级计算机有优越性。但如果采集 100 亿个样本的话，经典计算机仍然只需要2天，可是“悬铃木”却需要 20 天才能完成这么大的样本采样。在这样的条件下，量子计算反而丧失了优越性。

然而，“九章”所解决的高斯玻色采样问题，其量子计算优越性不依赖于样本数量。同时，从等效速度来看，“九章”在同样的赛道上，比“悬铃木”还快了一百亿倍。根据目前最优的经典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 个样本，如果用我国的“太湖之光”，需要运行 25 亿年。即使运用目前世界排名第一的超级计算机“富岳”，也需要 6 亿年。

此外，在态空间方面，“九章”也以输出量子态空间规模达到 1030 的优势远远优于“悬铃木”。可以说，“九章”的出色表现，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，更是量子计算领域的一个重大成就。

实现量子霸权是一场持久战

量子霸权并不具有像其词义所表示的政治含义，而是一个单纯的科学术语，是说量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机而称为“量子优越性”，也叫“量子霸权”。

基于量子的叠加性，许多量子科学家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。但从目前来看，实现量子霸权仍然是一场持久战。

究其原因，则与量子霸权实现的条件相关。科学家们认为，当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时，量子霸权就可能实现。这包含了两个关键点，一是操纵的量子比特的数量，二是操纵的量子比特的精准度。只有当两个条件都达到的时候，才能实现量子计算的优越性。

然而，不论是用54个量子位实现了量子霸权的“悬铃木”，还是构建了 76个光子实现量子霸权的量子计算原型机“九章”，虽然人们操纵量子比特的数量在不断提高，但人们仍需面对量子计算精准度和不可小觑的超算工程潜力。

其中，量子比特能够维持量子态的时间长度，被称为量子比特相干时间。其维持“叠加态”（量子比特同时代表1和0）时间越长，它能够处理的程序步骤就越多，因而可以进行的计算就越复杂。而当量子比特失去相干性时，信息就会丢失。因此，量子计算技术还需要面临如何去控制，以及如何去读取量子比特，然后在读取和控制达到比较高的保真度之后，去对量子系统做量子纠错的操作。

同时，经典计算的算法和硬件也在不断优化，超算工程的潜力更是不可小觑。比如，IBM 就宣称，实现 53 比特、20  深度的量子随机线路采样，经典模拟完全可以只用两天多时间，甚至还可以更好。

正如前述，“悬铃木”量子优越性的实现依赖其样本数量。当采集100万个样本时，“悬铃木”将比于超级计算机将拥有绝对优势，而当采集 100 亿个样本的话，经典计算机仍然只需要2天，可是“悬铃木”却需要 20 天才能完成这么大的样本采，使得量子计算反而丧失了优越性。

此外，很长一段时间里，量子计算机的优越性都只针对特定任务。比如，谷歌的量子计算机就针对的是一种叫做“随机线路采样（Random Circuit Sampling）”的任务。一般来说，选取这种特定任务的时候，需要经过精心考量，该任务最好比较适合已有的量子体系，同时对于经典计算来说很难模拟。

这意味着，量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题，量子计算机则不具有优势。

事实上，这也是此次“九章”创造性突破所在。“九章”二次演示的“量子霸权”不仅证明了原理，更有迹象表明，“高斯玻色取样”可能有实际用途，例如解决量子化学和数学领域中的专门问题。更广泛地说，掌握控制作为量子比特的光子的能力是构建任何大规模量子互联网的先决条件。

但总的来说，不论是从量子计算的数量还是精度，是经典计算的潜力或者局限，量子计算和经典计算的竞争都将是一个长期的动态过程。

用人们日常的眼光来看，量子物理学中的一些事物看起来“毫无章法”，有的似乎完全说不通。但这正是量子力学的迷人之处，使之成为了科学家们努力的意义所在。对于量子力学的诠释可以理解成物理学家在尝试找到量子力学的数学理论与现实世界的某种“对应”。从更深层的角度来看，每种诠释都反映着某种世界观。

人们欣喜于每一次技术的突破，也正是在这些努力中，人类文明才能不断前进。正如此次量子计算机被命名为“九章”一样，那来自《九章算术》的中国古代教科书般的意义，也寄托了人们对未来世界的想像和愿望。