量子計算機已經曆史性地“邁出了實用化的步伐”。圖片來源：百度圖片

　　■記者 趙廣立

　　9月以來，多家媒體援引外媒New Scientist的報道，稱穀歌正在加緊其量子計算機研發步伐，報道中不乏“量子計算領域正在快速重組，穀歌的工程師已經悄悄拿出了計劃要成為該領域的霸主”“最快明年年底之前就能實現目標”這樣的措辭。一時間，量子計算機這一跨時代的“黑科技裝備”似乎已款步而來。

　　然而，《中國科學報》記者經多方訪問了解到，量子計算機的研發門檻之高、難度之大，雖舉國體制亦不敢妄言“幾年內便可成為現實”。就連穀歌高薪聘請的來自加州大學聖巴拉拉分校的知名物理學家約翰·馬提尼斯(John Martinis)本人也曾表示：“嘗試制造一台實際意義上的量子計算機，簡直是物理學上的一個噩夢”。

　　經過對一些中文媒體報道的分析，記者發現，穀歌“幾年內實現量子計算機計劃目標”多為第三方的樂觀預估和解讀，而“穀歌欲成為量子計算領域霸主”，則多為媒體未經核實穀歌工程師發表的關於量子計算計劃論文、轉而對外媒報道的曲解和誤讀。

　　被誤讀的“量子霸權”

　　翻看New Scientist的報道可以看出，將穀歌量子計算機計劃等同於“量子霸權”屬於誤讀。

　　首先，穀歌的確有一整套量子機器學習的計劃，這從其早早設立“量子人工智能實驗室”這一部門即可看出。但是，穀歌量子計算機並沒有“量子霸權”這樣一個名字。

　　New Scientist對穀歌量子計算機計劃報道的標題是“Google’s plan for quantum computer supremacy”，supremacy在詞典上有“霸權”“至高無上”“優越”之意，但將quantum computer supremacy編譯為“量子霸權”顯然有賺取眼球之嫌。況且在該標題中，supremacy首字母為小寫，並不能將其認為是穀歌為量子計算機計劃擬定的項目名稱。

　　一位接近穀歌的匿名人士告訴《中國科學報》記者，在穀歌的語境裏，quantum supremacy指的僅僅是，一台量子計算機能比經典計算機更好地解決一個計算問題，就說明這台量子機具有“quantum supremacy”。在這個語境下，該詞組最好翻譯成“量子機優越性”。

　　也就是說，穀歌近期的目標其實很實際，只要證明一台基於量子理論的機器能解決一個經典計算機不能更好地解決的事，就能說明量子計算機相對經典計算機的確具有“優越性”。

　　記者查閱材料得知，穀歌在為其量子機選取的數學問題上認為，只要其量子機能模擬50個量子比特構成的網絡，就算打敗“最多只能模擬42個量子比特構成的網絡”的超級計算機Edison。穀歌認為，這個實驗會是一次證據確鑿的“quantum supremacy”。

　　此外，穀歌也並沒有宣稱明年底或者具體何年何月就能實現這個目標。上述報道中也是引用一些業內人士的觀點，認為穀歌“最早明年底就能實現這個目標”，“5年的時間裏都實現不了這個目標會顯得不可思議”。而穀歌自己的計劃是大約10年的時間，至少要在穀歌自己的服務中用上量子機器學習。

　　量子計算機已走出“象牙塔”

　　中國科學院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受《中國科學報》記者采訪時表示，盡管穀歌未明確說明其計劃完成的50個量子比特芯片的目標中量子比特數是“物理比特”還是“邏輯比特”，僅就量子計算機這一前沿性科學領域由作為企業的穀歌引領這一點而言，足以說明量子計算機已非昔日科研機構“象牙塔”裏的探索性科學課題，而是已經曆史性地“邁出了實用化的步伐”。

　　那么，穀歌的量子計算機的這一步到底邁出了多遠呢?

　　郭光燦解釋說，量子比特存在物理比特和邏輯比特兩個概念。物理比特並不穩定，即便現在可以做到50個物理比特的量子芯片，但因其不穩定，量子相幹持續時間太短，無法以量子態完成計算，因此不能稱之為量子計算機;而要經過糾錯碼或編碼對量子態進行“維持”，就需要多位物理比特才能生成一個邏輯比特，由多個這樣的邏輯比特組成的量子芯片才能有很好的量子相幹性和容錯特性，做成的量子計算機才稱得上真正的量子計算機。

　　因此，穀歌計劃完成的50個量子比特的目標，如果是邏輯比特，就量子位的數量而言，確實是足以稱之為真正意義上的量子計算機;但如果是物理比特，50個物理比特距離超越傳統計算機的量子計算機依舊有相當大的差距。

　　而這正是制造量子計算機的難點。穀歌在其發表的論文中的確也提到了“without error correction”這點，如果不需要糾錯的機器能夠解決一些實際問題，無疑會讓實現quantum supremacy這個目標離我們更近。

　　郭光燦告訴記者，一般認為，量子計算要產生相對於傳統計算足夠多的優勢，有效的邏輯比特的數目必須要大於30個才行，而要完全通用量子計算，要幾十、上百個可實現任意量子邏輯操作的量子邏輯比特。

　　計算技術的下一個裏程碑

　　如果研制出真正的通用量子計算機，那么它的誕生的確對經典計算機有壓倒性優勢。特別是在超並行計算能力方面，量子計算機大幅優於經典計算機。例如，求一個300位數的質因數，目前最好的經典計算機可能需要上千年的時間來完成，而量子計算機理論上可以在幾小時甚至幾分鍾內完成。特別是在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領域，量子計算具有突出優勢，是新概念高性能計算領域公認的發展趨勢。

　　“如果把經典超級計算機比作常規導彈，量子計算機就好比核彈頭。”郭光燦用這個形象的比喻說明了二者的區別，“當然，就像我們平時不可能隨便動用核彈，常規計算機也不會因量子計算機的出現而被淘汰，但量子計算機就是這樣，它的出現將在計算能力上碾壓經典計算機。”

　　不過，不少物理學家都認為，通用量子計算機實用化或許是太過困難的事，但能實用化特定目的的(尤其機器學習相關)量子計算機就已經有巨大的學術價值和工業價值了。

　　對量子計算充滿興趣的麻省理工學院的計算機科學家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)就持此看法，他就穀歌量子計算機計劃發表了自己的公開評論。

　　“在量子計算實驗領域，與經典計算機對決的一些人所謂的穀歌‘量子霸權’計劃最是讓我興奮不已。這是一個清晰的目標：用量子計算硬件去達成對某些定義好的數學任務的加速——相對於經典算法而言。盡管目前的‘量子計算機’是特制的、非可擴展性硬件的專門機器，但這仍將是科學上一個重要的裏程碑。它反駁了那些認為量子計算不能夠實用的人，並且將給未來硬件升級能夠解決更多實用問題以舞台。”

　　斯科特·阿隆森還很樂觀地預計，“‘quantum supremacy’計劃將在5~10年內實現，並且我認為硬件工程師們應該將焦點聚集在此：相對於實際應用中的‘糾纏’問題，為何不先去實現這一裏程碑，然後再去擔心如何實際應用?”

　　中國已經落後

　　記者了解到，穀歌並不是世界上唯一進行量子計算機探索的機構。相反，這一領域其實已經成為下一個“軍備競賽高地”。除美國穀歌、IBM、耶魯大學等機構開展了相應的量子計算研制項目之外，日本、澳大利亞等國家也另辟蹊徑，潛心開展了量子計算芯片等的研制項目。

　　“上世紀70年代費曼最早提出‘量子計算機’的概念，但直到上世紀90年代左右國際量子學界才開始轉向量子計算機的探索與研究。迄今發展不足三十年。”郭光燦告訴記者，“但中國在量子計算機方面的研究才剛剛起步，關注也是只有十多年的光景，足足落後了一半的時間。”

　　記者了解到，在國內通過不同方法開展量子芯片研究的有中國科技大學、南京大學和中科院物理所等單位，分別采用了半導體量子點芯片、超導量子芯片的方案;尚未見有企業投入研發團隊開展此類研究。

　　需要指出的是，量子計算機的戰略意義巨大。一旦通用型量子計算機實現突破，首先可以知道，所有銀行裏、政府機關，甚至是軍隊中用的RSA密碼的破譯難題將得到有效的解決——這不亞於原子彈對世界格局的影響。

　　中科院量子信息重點實驗室半導體量子點量子芯片研究方向帶頭人郭國平告訴《中國科學報》記者，相比量子通訊和量子密碼而言，量子計算機門檻更高，難度更大，產出成果的周期更長，是“難啃的硬骨頭”。正因如此，國內鮮有甘坐冷板凳者從事相關的研發。

　　“量子計算是長周期的課題，研究了可能會後悔，但如果不去研究，可能會更後悔。”郭國平說，我們國家應該倡導更多人願意“啃硬骨頭”，厚積薄發，只有這樣，才能將量子計算各階段的核心技術掌握在自己手裏。

　　“就好比我國鋼鐵業，一邊在‘去產能’，一邊制造不出高質量的特種鋼，問題就出在我們沒有掌握關鍵技術。量子計算機也是這樣。”郭國平說，“我們不能錯過發展機遇，核心技術是買不來的，不掌握將永遠受制於人。”