量子霸权意味着什么 我们为什么要关注它？

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在让外界猜测了数周之后，谷歌公司终于在著名的《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，声称自己已经取得了“量子霸权”。

　　在谷歌发表的论文中，谷歌人工智能科学家团队声称，他们的量子计算机“Sycamore”能在短短3分20秒内完成一项验证大数字随机性的任务。研究团队表示，世界上最强大的超级计算机需要一万年才能完成同样的任务。

　　经典计算机——从笔记本电脑到仓库大小的超级计算机——的运算只用到1和0，但Sycamore这样的量子计算机，使用的是量子比特（通常称为量子位）来进行运算。一个量子位可以同时是0和1，而不是两种可能性二选一。

　　这意味着，当拥有的量子位越多，计算机的运算能力就会呈指数级增长。根据谷歌今天上传的一段视频，谷歌的Sycamore量子计算机拥有52个量子位，一次可以看到1000亿个状态。那可是相当庞大的运算量。

　　那么，是什么让Sycamore比经典计算机更高效呢？美国理论物理学家约翰•普雷斯基尔（John Preskill）在2012年首次创造了“量子霸权”（quantum supremacy）一词。在早些时候为《量子》（Quanta）杂志撰写的一篇专栏文章中，他将其定义为“当量子计算机可以做到经典计算机做不到的事情时的关键节点，不管这些任务是否有用”。

　　需要注意的是，量子霸权表示的是量子计算机可以解决经典计算机在合理时间范围内不能解决的问题，并不意味着量子计算机就能解决经典计算机无法完成的任务。“只要有足够的时间……经典计算机和量子计算机可以解决同样的问题，”美国克瑞顿大学的Thomas Wong说道。

　　普雷斯基尔指出，“量子霸权”一词可能会导致“对量子技术现状的过度炒作”。不过他也祝贺谷歌“在实验物理学方面取得的非凡成就”，称其“证明了量子计算硬件的蓬勃发展”。

　　简而言之，通过证明量子计算机的优越性，我们现在能比以前更快地解决某些复杂的问题。可以想象，制药公司可以利用这项技术设计出极其复杂的药用化合物；金融建模可以使用量子计算来了解市场趋势。另一方面，量子计算机在理论上还可以以前所未有的计算能力破解当前的加密标准。

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当然，这一切只是推测。前沿研究人员还没有找到量子计算机的实际用途。Sycamore只是以一种非常特殊的方式解决了一个非常具体的问题。“简而言之，这个量子计算机执行了一个随机选择的指令序列，然后测量所有的量子位，以产生一个输出位串，”普雷斯基尔在专栏中写道，“这种量子计算几乎没有结构，使得经典计算机很难跟上其运算速度，但也意味着答案的信息量不是很大。”

　　在文章发表前两天，谷歌在量子领域最大的竞争对手IBM就发表了一篇文章，批评了这一成果。IBM公司声称，“在一个经典系统上，对同样任务的理想模拟可以在2.5天内完成，而且精确度要高得多。”

　　根据IBM的说法，这在很大程度上是由于谷歌的实验忽略了某些参数，包括“大量的磁盘存储”和其他“众所周知的优化方法”。

　　无论是否“霸权”，量子计算机的能力还是要在实际应用的时候才能真正体现出来。根据今天发布的一篇博客文章，谷歌的团队已经在研究“近期的应用”，包括“量子物理模拟和量子化学，以及生成机器学习中的新应用”。

　　除了这些应用之外，谷歌已经证明了它的量子计算机在随机数字的生成方面是非常出色的。这听起来可能并不出奇，但随机性在计算机科学中非常有用。普雷斯基尔认为，我们还需要几十年的时间才能看到量子计算机“对社会产生变革性影响”。不过，谷歌的这篇论文可能会成为一个分水岭，为一个全新的计算时代奠定基础，从新材料的设计到更高效的肥料，任何事情可能实现——如果可以相信谷歌的话。