「量子霸權」在「霸權」什麼？

投稿來源：陳根

2019年，谷歌率先宣布實現「量子霸權」（量子優越性），一把把量子計算推入公眾視野，激起量子計算領域的千層浪。就在近日，中國團隊宣布量子計算機「九章」問世，挑戰谷歌「量子霸權」實現算力全球領先。

「九章」作為一臺76個光子100個模式的量子計算機，其處理「高斯玻色取樣」的速度比目前最快的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍。史上第一次，一臺利用光子構建的量子計算機的表現超越了運算速度最快的經典超級計算機。

同時，「九章」也等效地比谷歌去年發布的53個超導比特量子計算機原型機「懸鈴木」快一百億倍。這一突破使我國成為全球第二個實現「量子霸權」的國家，也將量子計算研究推進下一個裡程碑。

「九章」得以成為世界級重大科研成果，再一次，關於量子計算、量子霸權的討論紛至沓來。「量子霸權」在「霸權」什麼？我們何時才能實現「量子霸權」？

量子霸權擂臺賽

在經典計算機中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計算機所做的事情都可以被分解成0s和1s的模式，以及0s和1s的簡單操作。不同於經典計算，量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，在1981年被著名物理學家費曼首次提出。

基於量子計算的量子計算機由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構成，一個量子比特對應一個狀態（state）。但是，比特的狀態是一個數字（0或1），而量子比特的狀態是一個向量。更具體地說，量子位的狀態是二維向量空間中的向量，這個向量空間稱為狀態空間。

經典計算使用二進位的數字電子方式進行運算，而二進位總是處於0或1的確定狀態。於是，量子計算藉助量子力學的疊加特性，能夠實現計算狀態的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(superposition)。

普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進位數(00、01、10、11中的一個)，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態的疊加。當量子比特的數量為n個時，量子處理器對n個量子位執行一個操作就相當於對經典位執行2n個操作。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計算機相較於當前使用最強算法的經典計算機，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強的處理能力。

2019年，谷歌宣布率先實現「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」，處理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53個量子比特的晶片，僅需花200秒就能對一個量子線路取樣一百萬次，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。

200秒之於一萬年，如果這是雙方的最佳表現，便意味著，量子計算對於超級計算壓倒性的優勢。因此，這項工作也被認為是人類歷史上首次在實驗環境中驗證了量子優越性，被《Nature》認為在量子計算的歷史上具有裡程碑意義。

而此次的「九章」卻在「懸鈴木」的基礎上更進一步。

「懸鈴木」量子優越性的實現依賴其樣本數量。事實上，雖然採集100萬個樣本時，「懸鈴木」僅需要200秒，超算Summit則需要2天，量子計算相比於超級計算機有優越性。但如果採集100億個樣本的話，經典計算機仍然只需要2天，可是「懸鈴木」卻需要20天才能完成這麼大的樣本採樣。在這樣的條件下，量子計算反而喪失了優越性。

然而，「九章」所解決的高斯玻色採樣問題，其量子計算優越性不依賴於樣本數量。同時，從等效速度來看，「九章」在同樣的賽道上，比「懸鈴木」還快了一百億倍。根據目前最優的經典算法，「九章」花200秒採集到的5000個樣本，如果用我國的「太湖之光」，需要運行25億年。即使運用目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」，也需要6億年。

此外，在態空間方面，「九章」也以輸出量子態空間規模達到1030的優勢遠遠優於「懸鈴木」。可以說，「九章」的出色表現，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，更是量子計算領域的一個重大成就。

實現量子霸權是一場持久戰

量子霸權並不具有像其詞義所表示的政治含義，而是一個單純的科學術語，是說量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機而稱為「量子優越性」，也叫「量子霸權」。

基於量子的疊加性，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會遠超任何一臺經典計算機。但從目前來看，實現量子霸權仍然是一場持久戰。

究其原因，則與量子霸權實現的條件相關。科學家們認為，當可以精確操縱的量子比特超過一定數目時，量子霸權就可能實現。這包含了兩個關鍵點，一是操縱的量子比特的數量，二是操縱的量子比特的精準度。只有當兩個條件都達到的時候，才能實現量子計算的優越性。

然而，不論是用54個量子位實現了量子霸權的「懸鈴木」，還是構建了76個光子實現量子霸權的量子計算原型機「九章」，雖然人們操縱量子比特的數量在不斷提高，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，量子比特能夠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」（量子比特同時代表1和0）時間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進行的計算就越複雜。而當量子比特失去相干性時，信息就會丟失。因此，量子計算技術還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特，然後在讀取和控制達到比較高的保真度之後，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體也在不斷優化，超算工程的潛力更是不可小覷。比如，IBM就宣稱，實現53比特、20深度的量子隨機線路採樣，經典模擬完全可以只用兩天多時間，甚至還可以更好。

正如前述，「懸鈴木」量子優越性的實現依賴其樣本數量。當採集100萬個樣本時，「懸鈴木」將比於超級計算機將擁有絕對優勢，而當採集100億個樣本的話，經典計算機仍然只需要2天，可是「懸鈴木」卻需要20天才能完成這麼大的樣本採，使得量子計算反而喪失了優越性。

此外，很長一段時間裡，量子計算機的優越性都只針對特定任務。比如，谷歌的量子計算機就針對的是一種叫做「隨機線路採樣（Random Circuit Sampling）」的任務。一般來說，選取這種特定任務的時候，需要經過精心考量，該任務最好比較適合已有的量子體系，同時對於經典計算來說很難模擬。

這意味著，量子計算機並不是對所有的問題都超過經典計算機，而是只對某些特定的問題超過經典計算機，因其對這些特定的問題設計出高效的量子算法。對於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」創造性突破所在。「九章」二次演示的「量子霸權」不僅證明了原理，更有跡象表明，「高斯玻色取樣」可能有實際用途，例如解決量子化學和數學領域中的專門問題。更廣泛地說，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構建任何大規模量子網際網路的先決條件。

但總的來說，不論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。

用人們日常的眼光來看，量子物理學中的一些事物看起來「毫無章法」，有的似乎完全說不通。但這正是量子力學的迷人之處，使之成為了科學家們努力的意義所在。對於量子力學的詮釋可以理解成物理學家在嘗試找到量子力學的數學理論與現實世界的某種「對應」。從更深層的角度來看，每種詮釋都反映著某種世界觀。

人們欣喜於每一次技術的突破，也正是在這些努力中，人類文明才能不斷前進。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，也寄託了人們對未來世界的想像和願望。