光子盒研究院出品
自從去年10月23日，谷歌「利用可編程超導處理器實現量子霸權」被正式刊文介紹之後，世界都認識到了一個新名詞：「量子霸權」。谷歌開發出的一款54量子比特的超導量子晶片「Sycamore」，對隨機量子線路採樣100萬次只需200秒，而目前最強的傳統超級計算機Summit要得到類似的結果需要長達1萬年（IBM已證明只需3天）。
再談量子霸權
量子霸權（Quantum Supremacy），也叫「量子優勢」或「量子至上」，是指量子計算機具備超越經典計算機的計算能力。量子霸權的概念由美國理論物理學家John Preskill於2011年提出。業界普遍認為，實現量子霸權是量子計算從理論實驗走向通用的開端。
一般認為，如果量子計算機在「某些特定問題」上的計算能力超過了傳統經典計算機，那麼就被認為實現了「量子霸權」。專家估計，如果量子計算機能操控超過49個量子比特，其在某個特定問題上的計算速度就有可能超過包含超級計算機在內的任何傳統計算機。
為什麼谷歌那麼在意自己獲得了「量子霸權」？人類實現「量子霸權」究竟有多大意義？
量子霸權實驗可以類比貝爾實驗。貝爾實驗已經無漏洞地反駁了定域隱變量模型，而量子霸權實驗將駁倒「拓展的丘奇—圖靈論題」，其表述為：經典計算機可以在多項式時間內有效模擬任何物理過程。「量子霸權」將提供一個令人信服的證據證明經典計算模型無法模擬糾纏，更無法獲得量子計算的計算能力。
「量子霸權」對於完善基礎量子理論也至關重要，因為到目前為止量子力學是唯一改變計算模型的物理理論。另一方面，實現「量子霸權」將極大增強我們對實現大規模可擴展的通用量子計算機的信心。
但顯然，隨著量子計算的研究成果呈現顯著增長，整個國際社會和輿論對於量子計算帶來了過分的炒作，MIT的理論物理學家Seth Lloyd談到：「整個量子計算領域現在正走向瘋狂。」量子霸權這一概念加劇了媒體與科技公司對量子技術的炒作，其提出者Preskill也因此開始反思這個概念是否合適。
近年來，谷歌、IBM等公司紛紛對外宣稱成功開發出了大數量（50以上）量子比特的量子計算原型機。然而，實現量子計算的關鍵參數不僅僅是量子比特的數目，還有系統的保真度。隨著量子比特數目的增加，量子計算的保真度也會急劇的下降，這將導致錯誤率很迅速上升。
IBM Research部門負責人Dario Gil對外表示：「量子比特數量增加只是一個方面，控制的量子比特越多，量子比特之間糾纏的交互作用就會越複雜。如果人類擁有了更多的量子比特，但它們相互聯繫時會有很高的錯誤率，那麼它們不見得比錯誤率較低的只有5個量子比特的機器強大。」
量子霸權的實現路徑
量子霸權概念提出後，各國科學家們提出了很多種實驗和理論方案。MIT的Aram Harrow等人在2017年列出五條實現量子霸權的條件：
1、首先這個計算任務必須定義明確。
2、對應該計算任務，要有一個合理的量子算法。
3、對於經典計算機可以滿足的時間和空間。
4、計算複雜性理論基礎假設（經典無法模擬量子的假設）成立。
5、計算結果可以得到驗證。
這五個條件為量子霸權的實現指明了方向。依據這五條標準，目前業內主流的幾個理論方案如下：
1、Shor算法是量子計算機最具應用前景的算法，而且其結果很容易被證實，理應是實現「量子霸權」的一個最優選項。但是，到目前為止最好的估計告訴我們，如果想要分解一個2048位的大整數，需要數千個糾纏的量子比特，對於目前的技術來說，這很難在一個較短的時間內實現。
2、「玻色採樣」方案是有較強的計算複雜性理論支撐，但是物理實現並不明確；玻色採樣的理論方案最早由MIT的理論計算機科學家Scott Aaronson等人在2011年提出。玻色採樣是指對從一個複雜幹涉網絡輸出的玻色子的態空間進行採樣，類似於經典世界的高爾頓板。玻色採樣所需的物理資源僅僅是不可識別的玻色子(光子)，線性演化以及測量。其中玻色子類似於高爾頓釘板中的小球，線性演化類似於小球經過釘板的 過程。但是以光量子計算方案為基礎的玻色採樣面臨光子製備和探測效率低的實驗技術難題。不過，最新實驗研究表明玻色採樣即將逼近「量子霸權」，中國科技大學潘建偉團隊利用自主研發的高品質單光子源，實現了20光子輸入60×60模式幹涉線路的玻色採樣量子計算，美國物理學會Physics網站以「玻色採樣量子計算逼近裡程碑」為題對該成果做了精選報導。
3、谷歌主導的隨機線路採樣方案，是短期內物理實現較容易，但是理論證明並不明確。該方案得益於高品質超導量子比特的快速發展。隨機線路採樣是對隨機量子線路的輸出分布進行採樣。谷歌去年利用Sycamore的53個量子比特的可編程超導量子處理器實現了「量子霸權」。不過這個結果很快遭到IBM研究人員的質疑，並且很快在預印網站arxiv上刊出了他們的成果，文章中指出，利用他們的方法，經典超級計算機可以在2.5天內以更高的保真度完成相同的計算任務。那麼按照這個結果，我們距離「量子霸權」還很遠。
谷歌 Sycamore 量子晶片
量子霸權有點玄
實際上，IBM並不提倡使用「量子霸權」這一概念，他們認為「量子霸權」更像是谷歌公司炒作自身的工具。因此，更可靠的說法應該是，未來的很長時間內，經典計算機和量子計算機將會共存，各自負責不同的計算領域，今後的計算機極有可能同時包含經典和量子兩部分，各自處理自身優勢的計算任務。
英特爾實驗室負責人Rich Uhlig在記者採訪時認為，量子計算真正產生實用價值至少還需要10年。無論從理論上還是工程技術上講，量子計算都還是一項極不成熟的技術，真正的量子計算機，不僅僅是包含量子計算，還需要更多的技術支撐，比如，量子存儲、量子通信、量子程序設計等等。
目前距離實用的量子計算機還有很長的路要走，一方面，實驗量子計算還存在很多不可逾越的技術障礙，目前的實驗系統，普遍面臨糾纏量子比特數少、相干時間短、出錯率高等諸多挑戰；另一方面，量子計算相對於經典計算機的優勢還有待進一步確認。
Uhlig表示，量子計算雖然被人類給予了厚望，但是其能否取代經典計算機，現在下結論還為時過早。目前來講，經典無法有效模擬量子系統這一描述僅僅是學界的共識，並沒有完全證明。
量子計算的計算模型和思路同樣可以應用到經典計算中，經典計算的計算能力還有待進一步開發，研究者們對於經典計算仍然充滿期待。雖然谷歌宣布實現了「量子霸權」，但是這樣的「量子霸權」可能只是暫時的，不排除會有加速經典算法的出現。
來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的18歲華裔少女Ewin Tang，在其本科畢業設計中提出了一個可以媲美量子算法的經典算法。從2017年秋天開始，她在Scott Aaronson指導下，試圖證明經典算法無法提供量子算法這樣的加速。
但是經過幾個月的努力，Ewin並沒有找到相關證據，相反，她開始考慮是否確實存在這樣的經典算法。最終，Ewin發現KP算法利用了量子相位估計，而對於經典算法可以不需要相位估計，通過用戶偏好矩陣的一個微小子矩陣的隨機採樣就可以實現類似的加速效應。
隨後Ewin參加了在伯克利舉行的一個量子計算會議，將自己的成果向在座專家（其中包括KP算法的提出者）進行了匯報，經過近四個小時的討論，與會專家一致認為Ewin的經典算法是正確的。
通用量子計算機還有多遠？
2019年9月，新興量子技術國際大會的白皮書將面向規模化、實用化方向演進的量子計算的研究路線概括為：
第一階段是實現量子霸權，量子計算模擬機具備針對特定問題超越傳統超級計算機的計算能力，其中第一階段又可以分出兩個階段，分別為量子霸權階段和NISQ（含噪聲的中型量子）階段，NISQ時代是量子霸權的第二階段，具備50-100個量子比特的量子計算機將研發出來，可以執行超越當前經典計算機能力範圍的任務，使用含噪聲的中型量子技術的設備將成為探索多體量子物理學的有用工具；
第二階段是實現具有應用價值的專用量子計算模擬系統，並在組合優化、機器學習、量子化學等方面發揮巨大作用。面向具體領域的專用型量子計算機有望率先成熟並獲得應用落地，實現幾百個量子比特的操控，研製專用的量子模擬機用於高溫超導機制、特殊材料設計等目前經典計算機無法完成的工作；
第三階段是實現可編程的通用量子計算機，並在經典密碼破解、大數據搜索、人工智慧等方面發揮重要作用。通用量子計算機通過把物理量子比特編碼成邏輯量子比特，實現可編程通用的量子急速三級，最終在大數據處理、人工智慧、密碼破譯等領域產生顛覆性影響。
從上可見，量子計算機的發展過程還很漫長，距離真正可商業化還有很長的距離，量子計算商用化目前面臨的挑戰主要有：
1、量子位是否可以實現規模化擴展，這在理論研究和工程建設兩個層面都是重要挑戰，量子位規模化擴展勢在 行，現在雖然只是幾十個量子位，未來要解決幾十萬甚至上百萬量子位的問題，量子計算商用化的成功與否的決定性前提；
2、學界和工業界目前都在開發各種固態量子系處理器，技術路線無統一定論，商用層面的通用量子計算技術的統一標準更無從談起；要談量子計算的商業應用，必須要配備嚴格的環境控制，例如需要構建嚴格而穩定的低溫環境，才能保障大量量子位穩定運行；軟體堆棧的演化面臨巨大挑戰，既需要能夠將算法投射到問題本身，又最終可以讓高穩定性和可靠性的量子系統在真實應用場景中解決問題。
量子計算機從理論上來說，完全可以實現。但要真正把他做出來，在實現上有很多技術和工程的難題，比如，量子相干性的保持、量子比特的操控和集成之間的平衡問題、量子測控系統和量子晶片的互聯和自適應問題、量子比特的糾錯與容錯，以及更多量子算法和量子軟體的開發問題等。
這些問題很多都是基礎工藝和工程問題，還有材料和基礎化學問題，短時間難以克服，需要一點點推進。
1930年秋，第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。早有準備的愛因斯坦在會上向玻爾提出了他的著名的思想實驗——「光子盒」，公眾號名稱正源於此。
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