谷歌开启量子计算新征程!万年计算只需两百秒!

                               
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北京时间10月24日，就在中国程序员庆祝他们的节日的时候，《自然》杂志正式刊登了谷歌关于“实现量子霸权”的论文《使用可编程超导处理器的量子优势》。这一天同样是《自然》出版150周年纪念日。

谷歌CEO Sundar Pichai撰文称，这一重大突破意味着，“我们已经使用量子计算机解决了一个问题，而使用经典计算机将花费不切实际的冗长时间”。

《自然》杂志的论文和谷歌的博客文章中，谷歌的研究人员生成他们第一次获得了“量子霸权（Quantum Supremacy）”。谷歌官方更愿意将这个词的中文翻译为“量子优越性”。这个54比特量子计算机“Sycamore”花了200秒完成的计算，谷歌声称世界最快的计算机需要1万年才能完成的。这份论文的草稿上个月意外发布在了NASA的官网上，但很快被删掉。

从这项任务本身来看，只是执行随机选择的指令序列，并没有任何可见的实际用途，但专家们却认为这一成果仍然重要，因为其证明了量子计算的未来前景。

麻省理工学院应用物理学教授、电气工程与计算机科学副教授WILLIAM D.OLIVER将这已成就与莱特兄弟的首飞成功相比较，他评论称，“最重要的不是它实际完成了什么，而是它所代表的内容”。

谷歌的量子计算之路

1980年，美国物理学家Paul Benioff描述了第一台计算机的量子力学模型。在这项工作中，他通过描述图灵机的薛定谔方程说明了计算机在量子力学定律下运行，为量子计算的进一步研究奠定了基础。薛定谔的猫是一个量子力学思维实验，是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器。由于擂的衰变存在几率，猫的状态除了生死，还有生死叠加。当然这是不可能发生的，但这个实验就是试图从宏观尺度阐述围观尺度的量子叠加原理。

                               
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这一次备受关注的“量子优越性”，是2012年由加州理工学院的理论物理学家的John Preskill创造的，他用这个词来描述量子计算机可以达到经典计算机根本做不到的事。通过利用量子物理的特性，量子计算机有可能在几乎实时的情况下对大量的可能性进行分类，并提出一个可能的解决方案。经典计算机是以0或1的形式存储信息，而量子计算机使用量子位，量子位可以同时以0和1的形式表示和存储。

Sundar Pichai的博客披露，谷歌在量子计算的投入开始于十三年前，并一度因为进展有限而感到沮丧。2006年，谷歌科学家Hartmut Neven开始探索新的方向，即用量子计算来加速机器学习的过程，谷歌的AI量子团队就此建立。2014年，美国物理学会院士John Martinis加入谷歌，开始负责量子硬件的研究，目标是建立第一个有用的量子计算机。

两年后，谷歌量子研究人员Sergio Boixo发表了一篇论文，从而将谷歌的工作重点放在了量子优越性上。Sundar Pichai称，谷歌之所以进行早期投资，是因为相信莱昂自己算可以加快解决从气候变暖到疾病等世界上最紧迫的问题。在这次突破后，与设计更高小的电池、减少制造化肥的能量，以及弄清楚哪些分子可以制造有效药物更近了一步。

谷歌研究的转折点是2018年10月在南加州发生的一场火灾。出于谨慎的考虑，谷歌关闭了位于圣芭芭拉的实验室几天。恰好在这场强迫性休假中，团队以不同的方式重新思考了问题，并在几个月后取得了突破。据悉，这是一个由35名研究人员和价值数亿美元设备组成的实验室，John Martinis告诉媒体，将在六个月搬进更大的实验室，以及招募更多的工程师和物学家。

Sundar Pichai在博客的结尾称，量子计算为我们提供了另一种表达的语言，状态将不只是1和0，还有其他的状态，“美丽、复杂且无限可能”。

量子计算是场马拉松，引来中外参赛者

但是，无论是谷歌，还是其他科学家，都清楚地意识到，通往量子计算的目标仍是一场马拉松式的过程。作为量子优越性的提出者John Preskill在接受媒体采访时表示，这不会在一夜之间改变任何东西，但重要的是，量子计算机目前所处的阶段是，至少在某些领域，它可以超越世界上最好的计算机。

就像“阿尔法狗”引发了新一轮人工智能的浪潮，谷歌在这场量子计算的变革中再次引发了不同的争议，其背后是由于NASA意外提前披露。曾经开发产业最强计算机的IBM就在谷歌正式发布论文前一天晚上开怼。IBM称，谷歌的说法存有缺陷，因为并没有充分利用全部嫩李。换而言之，IBM认为谷歌调整了基准，并表示如果进行优化和改进，超级计算机需要2.5天也可以解决问题。虽然这个时间远没有200秒那般短小，但比1万年要少得多。

距离真正能够用于安全加密、发现靶向药物，或者寻找新的环保材料，谷歌目前所做的仍然远远不够，技术最终仍然需要商业级的产品落地。这仍需要几年时间，因为专业人士指出，硬件挑战目前来看仍有不小的压力。量子计算竞赛的另一群参赛者正在做这样的努力，从微软到一些风投支持的初创企业，正在利用其他涉及光和小粒子的科学技术是量子计算商业化。

在中国，阿里巴巴、腾讯、百度、华为在内的公司都相继建立了量子计算实验室或者研究所专门发展量子计算技术。腾讯布局量子计算始于2017年初，随后招纳了多位海外人才，其中包括香港中文大学终身教授张胜誉，他是腾讯量子实验室的创建者和负责人，腾讯的方向是化学和药物研究。

阿里巴巴则是通过达摩院的量子实验室开展研究，由前密歇根大学教授施尧耘博士组建，招纳了如滑铁卢大学量子计算研究所博士邓纯青，后者曾主导新一代量子处理器的研发。2018年初，该实验室研制的量子电路模拟器“太章”在全球率先成功模拟了81比特40层的作为基准的谷歌随机量子电路。2019年9月，阿里巴巴达摩院院长张建锋宣布量子实验室完成了第一个可控的量子比特的研发工作。

百度的量子计算研究所成立于2018年3月，悉尼科技大学量子软件和信息中心创办主任段润尧教授出任所长，百度计划逐步将量子计算融入业务中。2018年，华为数据中心技术实验室招纳了在南方大学物理系任教的翁文康担任量子计算软件与算法首席科学家，目前主要研究方向包括量子计算物理与操控、量子软件，量子算法与应用等。

这是一个被看好的领域。第三方机构Allied Market Research预计，到2025年，全球企业量计算市场规模将从2017年的6.5亿美元增长值58.5亿美元。另一家机构Gartner的数据则显示，到2023年，包括企业和政府在内的20%的组织预计将为量子计算项目提供预算，高于2018年的不足1%。

由于量子计算的特性，对于信息保密技术将得到彻底颠覆，原因是一些复杂的加密算法将被瞬间攻破。不仅如此，更多当前看来复杂的运算都将得到新的解决方案，比如金融数据分析、新药物研发、供应链物流的优化，这一系列指数级的复杂数据分析都将因此受益。

正如目前担任谷歌人工智能量子计算团队工程总监的Hartmut Neven在博客中写道，“这项成就十多年研究和许多人风险的结果，这也是新旅程的开始：弄清楚如何使用这项技术，并发挥作用”。