Sycamore量子处理器。 （资料图/图）
谷歌研究团队在《自然》杂志上宣布，配有最新量子处理器的计算机只用200秒便完成了在一个量子电路中采样100万次的任务，而目前最先进的传统超级计算机要完成同样的任务需要花费1万年。这意味着对大规模量子计算的探索将推动物理学进入一个前所未有的新领域。
2019年10月23日，谷歌量子人工智能研究团队在《自然》杂志（Nature）发表文章，正式宣布他们研发的一个名为Sycamore的量子处理器，实现了53个量子比特（qubits）的量子状态。
在一个实验中，配有最新量子处理器的计算机只用200秒便完成了在一个量子电路中采样100万次的任务，谷歌团队认为，目前最先进的传统超级计算机要完成同样的任务需要花费1万年。
所以他们在最新发表的文章标题中就宣布，他们使用可编程超导处理器实现了“量子至上”（Quantum supremacy，也有称量子霸权或量子优势）。
什么是“量子至上”？
“量子至上”或“量子霸权”并不是说谷歌已经取得了量子领域的霸主地位。“量子至上”作为量子信息科学一个热议的概念，主要是与传统计算机对比而提出的，相当于为量子计算机提出了一个目标，即完成传统计算机所不能完成的任务。这一概念最早是由加州理工学院量子信息与物质研究所所长、理论物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）于2011年10月在比利时布鲁塞尔的一个量子理论会议上提出的，2012年正式出现在他的一篇阐述量子计算的论文中。
在论文开篇，他就说，为了鼓舞大家对量子信息科学的探索，他将提出一个大问题：我们能够控制复杂的量子系统吗？如果能，那又会怎样？
他期待能加速“量子至上”时代的到来，但也指出这个领域的另一个问题：控制大规模的量子系统只是“非常、非常难”呢，还是“出奇的难”。据他估计，如果是“非常、非常难”，那么人类有可能再努力几十年成功造出大规模的量子计算机。如果是“出奇的难”，那么可能再过几个世纪也成功不了。但无论如何，对大规模量子计算的探索将推动物理学进入一个前所未有的新领域。
这一说法随后引发热议，包括争议。一方面，“至上”一词令一些人联想起“白人至上主义”，因而招致政治立场上的反感。再者，有人认为量子技术现状已经被一些报道夸大了，这一新提法使这一情况更为恶化。
但谷歌的量子研究团队很接受这一概念，而且，距离这一概念提出不到10年，就宣布他们实现了“量子至上”。
量子计算的曙光
针对目前谷歌公司推出的53个量子比特的处理器，《自然》杂志的报道称之具有“里程碑意义”。麻省理工学院量子科学家威廉·奥利弗（William D. Oliver）则撰文表示，这一成果对于计算机领域而言，堪比莱特兄弟的首次飞行，虽然并不能马上解决什么实际问题，但代表着人类进入了一个新的领域。
量子比特是量子信息科学中新引入的一个单位，区别于传统二进制计算机系统中一个比特要么代表1，要么代表0，一个量子比特可以同时代表1或0，像薛定谔既死又活的猫一样，是同一时刻两个状态的叠加。53个量子比特可以模拟出253种计算状态空间，相当于1016种状态。一般认为，量子比特数达到50以上，就能在处理一些问题时超越传统计算机的运算能力。
“量子计算正在从一个研究选题变成一个可以解锁新计算能力的技术。”针对最新研究在实际应用中的价值，以哈特穆特·内文（Hartmut Neven）和约翰·马丁尼（John M. Martinis）为代表的谷歌科学家在文章结尾介绍，“距离近期可以实现的有价值的应用，我们只差一个有创造性的算法。”
谷歌公司CEO桑达尔·皮查伊（SundarPichai）在《MIT科技评论》的文章中也说，根据现有物理理论，量子计算应用能帮助我们更好地理解宇宙的运行方式，并逐渐实现按量子物理对分子和分子间作用进行精确模拟，并在医学和碳排放治理等涉及化学的重要研究领域发挥作用。当然这有待进一步研究，他认为仍需要时间研究出性能更优的量子计算机，届时，凡是与化学有关的地方，量子计算机都能派上用场，有鉴于此，他们将继续在该领域投资。
不过谷歌在量子计算机领域的竞争对手IBM公司的科学家认为谷歌夸大了他们最新研究的意义。IBM公司研究员埃德温·佩德纳尔特（Edwin Pednault）等人10月21日就撰文指出，他们认为约翰·普雷斯基尔所提的“量子至上”仍未被实现，他们不同意谷歌说的传统计算机1万年才能实现的说法，而是认为理想状态下，传统计算机系统2.5天足以完成同样的任务，这还只是保守估计。
更早时候，谷歌团队也承认选择目前这一采样任务意在凸显量子计算的优势，但实验解决的并不是很实用的问题。不过，早在10月初，约翰·普雷斯基尔其实也注意到谷歌实现“量子至上”的事情，他觉得即便这一巨大差距是精心选择的结果，至少证明了量子计算硬件能够运行，未来可以开始探索一些更有价值的应用。而谷歌的这一突破也增强了人们的信心，即控制大规模的量子系统应该只是“非常、非常难”的问题，而非“出奇的难”，如果确实如此，这意味着，未来几十年可能会有大量的量子技术蓬勃出现。
谷歌投注量子计算
在成果之外，不能忽视的是，谷歌已经投注量子计算13年了，此前近十年，进展都十分有限。选择进入这一理论上可能需要耗费数十年才可能有结果的项目，考验着一个公司的勇气。但谷歌公司显然有长远规划，他们的研究团队希望人们更有耐心，把目光放得更长远，研发量子计算机是一个非常复杂的工程，而要想实现有价值的量子计算应用也将耗时非常久。
谷歌实现“量子至上”的消息从2019年9月就有传出，当时NASA作为该研究的合作单位曾在其网站上发出过最新研究修订中的版本，但很快删除，引来一片猜疑。而10月23日该研究在《自然》杂志的正式发表，标志着量子计算在学术研究中进入了一个新的阶段。
此前8月，中科院物理所等单位组成的研究团队曾在《科学》（Science）杂志发表研究，宣布他们研发出具有20个量子比特的量子芯片，已属走在国际前沿。谷歌的53个量子比特的处理器Sycamore显示了其在量子计算机研究中的领先地位，由于另有一个量子比特实际中无法有效工作，从实验设计来看，谷歌的处理器原本是54个量子比特，类似的未知从一开始就在这一领域存在。
“谁知道我们会发现什么呢？”2012年，那个早年曾与霍金就黑洞问题打赌并赢了的约翰·普雷斯基尔在提出“量子至上”时就留下了这样疑问。而得知谷歌的新成果后，他期待量子计算机将来能给社会带来一个变革性的影响，虽然，这可能还需要几十年的努力。
南方周末记者 王江涛
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