内幕故事：科技巨头争夺量子霸权的高风险角逐（下）

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编者按：在摩尔定律即将寿终正寝的时候，量子计算给了人们新的希望。这种有望令全世界所有的经典计算机的能力加起来也黯然失色的新计算机，随着去年Google宣告实现量子霸权（量子计算机可以实现全世界上最好的经典超级计算机也完成不了的工作），最近又掀起了一轮炒作。量子计算机究竟是如何实现的？它的能力真的有这么强吗？我们距离实用的量子计算机还有多久？如果最终证明量子计算只是海市蜃楼会怎样？《连线》英国版的Jason Koxvold对此进行了剖析，原文标题是：Inside big tech’s high-stakes race for quantum supremacy。篇幅关系，我们分三部分刊出，此为下半部分。

划重点

Google去年宣称实现了量子霸权，但后来受到了质疑

有些问题经典计算机不擅长，比如不确定性问题

可以把量子比特看成是一个地球，在它的北极处为1，在南极处为0，同时在地球上的任何其他地方则是它们的叠加

除了可以更有效地模拟自然之外，量子计算机还能在内存中保留不确定性，并且以比传统机器快数千倍的速度解决类似旅行商问题之类的事情

要想观察量子又不干扰其状态需要量子纠缠

Ekert的演讲打响了量子竞赛的起跑枪

Google、IBM等走的是跟经典计算机更吻合的超导量子比特路线

微软想攻关未必存在的拓扑量子位——那玩意儿就像伏地魔的魂器

加拿大的D-Wave是个另类，其商用量子计算机只能解决特定问题

量子比特的数量没有“量子体积”重要

“量子霸权”已经让位于“量子优势”，实现量子优势可能还需要五年或者五十年的时间

从影响的角度来看，2020年1月的量子计算可能类似于1993年1月的互联网

如果因为存在某些真正根本的原因我们没法建造量子计算机的话，那会是一个更加美妙的场景：也许在此探索过程中我们将能揭示出宇宙的基本真理

内幕故事：科技巨头争夺量子霸权的高风险角逐（上）

内幕故事：科技巨头争夺量子霸权的高风险角逐（中）

量子计算无法实现也许是件好事

Google论文的草稿副本（定在《自然》上发表）被《金融时报》的记者发现可在开放式访问服务器上下载后，Google宣布实现量子霸权的消息（原定2019年9月公布）被提前一个月泄漏出去。

这引起了圣塔芭芭拉几天的小小恐慌，刚开始的几个小时他们疯狂地试图把文件撤除，然后就是揣摩是不是真有人见过这份文件。到十月份论文正式发表时，当初的炒作已经有所缓和。兰开斯特大学量子技术中心主任Robert Young说：“这是块垫脚石，但我们每年都会看到垫脚石的出现。我不认为这是临界事件。”

IBM也准备了自己的计算结果，结果显示，其经典的超级计算机将可在2.5天（而不是10000年）内完成那项任务——还算是量子霸权，但优势没那么明显（不过Google的团队认为，几点计算机要想达到那种计算速度的话，超级计算机得连接到核电站才行）。

微软和IBM现在已经不再谈论量子霸权来，他们更喜欢谈论“量子优势”，也就是量子计算机可以让你实现以前做不了的有用事情。Riel说：“我们全身心投入到提供价值和提供量子优势上面，而不是在跟行业无关的问题上展现霸权。”

要获得量子优势，需要的不仅仅是放在圣塔芭芭拉、纽约和雷德蒙德的冰箱里面的那几个芯片。还得围绕着量子计算打造基础设施，在量子霸权之后，竞争将围绕着实现这些新设备所使用的算法和编程语言的统治地位展开。

1994年，另一位Villa Gualino 的与会者Peter Shor发布了一组用量子计算机对大数进行因式分解的指令集，又被称为Shor算法。把两个长整数分解为最小因子所需的计算资源是许多现代加密系统的基础，但量子计算可能会颠覆这个基础。另一种算法，1996年以发明者印度裔美国计算机科学家Lov Grover命名的算法提供了一个诱人的前景：可让搜索大型数据库的速度提高数千倍。你可以看出Google为什么会对此感兴趣。

但是这些算法都是被设计为在完美量子计算机上运行的，但这种量子计算机永远都不会存在。为了让量子计算机变得有用，需要改进硬件以减少错误率，而且还要对算法进行修改来解决不可避免会会保留的错误。Young 说：“目前正在考虑的绝大多数算法所要求的性能指标是实际的量子系统远远不能满足的。理论远远领先于实验。”

尽管如此，Google、微软、IBM等公司（包括总部位于Berkeley的Rigetti ）都在攻关量子计算机的上层，就像让你无需跟笔记本的1和0打交道的编译器和操作系统。Google的Marissa Giustina 说：“目前，我们编写的程序几乎都是机器代码，跟硬件非常接近。我们没有任何高级工具可以抽象于硬件。”

微软量子软件总经理Krysta Svore

在微软这里，有着计算机科学背景的Svore 帮助开发了Q＃，这是专门设计用于处理各种类型量子计算机的第一批编程语言之一。Svore 说“我们知道量子计算机会不断发展。但是同样的代码会继续存在。”

Google的Cirq 和IBM的Qiskit 都是开源框架，可帮助研究人员开发NISQ时代的算法。各家公司也在推动商业应用的开发：IBM已经跟包括埃克森美孚、巴克莱以及三星在内的100多家公司合作开发了实际应用。微软有Azure Quantum，可以让客户插入IonQ的离子阱量子计算机以及QCI开发的超导量子位。

IonQ的CEO Peter Chapman 试图开发出一种基于离子阱的量子设备。他说，这些进展可让大家开始编写“Hello World！”量子程序（指学习编程语言的入门第一课。）

哪怕没有可靠的量子硬件，量子算法也已经产生了一些小小的影响，因为你可以在在经典的超级计算机上对其进行某种程度的仿真。如Svore 所言，这些“受量子启发的优化算法” 已用到了交通管理，开发更好的电池，以及减少分析MRI扫描所需的时间上面。

在2019年，IBM推出了自己的第一台商用量子计算机——20量子位的IBM Q System One

最终，量子计算机的最终用户可能不会意识到自己其实上正在使用一台量子计算机。各种不同类型的量子处理器——超导、离子阱，模拟的——这些都将构成自动选择的技术库的一部分。Riel说：“我们的愿景是你我大家都会遇到问题，我们只需要使用原先使用的普通软件，然后通过云访问所有这些计算机，并确定解决相应问题需要哪种计算机。”

目前，量子计算是解决的是比较小的、概念验证问题，那种问题用几点计算机也可以有效解决——它们受到了我们从建造量子硬件所学到的东西的启发，但还没有真正使用它。量子计算机不能简单地用更好的计算机来定义，它们只对特定类型的问题有用。你自己的设备里面永远也不会装上量子芯片——相反，只有出现了罕见的需要使用量子计算机的情况，你才有可能通过云端去调用它的威力。

第一款真正的量子计算机最初的实际应用所产生的影响可能相对较低，比方说随机数的验证。之后，也许会是费曼所讨论的，用量子机械设备去模拟自然。这会为运行化学和生物过程的模拟，以及开展新药或新材料试验之前先行尝试提供可能性。

Boixo 希望随着时间的流逝，量子计算机能够解决我们星球面临的一些生存危机。他说：“气候变化属于能源问题，而能源是一个物理、化学过程。也许，如果我们能够开发出可进行这些仿真的工具的话，我们就可以掀起一场新的工业革命，从而有望更有效地利用能源。”

但是，我们还有很长的路要走。Hurley说：“从影响的角度来看，2020年1月的量子计算可能类似于1993年1月的互联网。1993年的时候，总共大约只有650个网站——没人见到Uber 或Airbnb 或任何此类东西。”

量子优势可能还需要五年或者五十年的时间。目前为止对它的成就有过的炒作的的危险——扩展量子位可能仍然存在一些基本障碍，或者到了一定程度噪音将会变成一道难以逾越的屏障。

1994年发表演讲从而开启量子霸权竞赛的Ekert认为，就像（从1960年代开始改变传统计算机的发展的）晶体管的发展一样，我们仍然需要一些重大的技术突破。我们现在还没处在芯片制造商争相生产最好的硬件的时代。我们现在还处在真空管芯片和机械闸门的时代，研究人员想知道自己在尝试做的事情是不是有可能。

从某种意义上说，Ekert其实希望没有。他说：“如果因为存在某些真正根本的原因我们没法建造量子计算机的话，那会是一个更加美妙的场景——如果因为某些新的、真正根本性的物理定律，建造量子计算机不可能的话。”

经过纠错的实用量子计算机可以改变世界。但是造出这样一种量子计算机之战可能会揭示出有关宇宙本身的基本真理。Google量子研究员Yu Chen说：“这不是公司之间的竞争，而是我们的技术与自然之战。”

译者：boxi

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