谷歌量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室最近的一篇論文宣稱已經(jīng)達(dá)成了“量子霸權(quán)/量子完勝”(quantum supremacy)，這是什么意思呢？

2012年，約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)提出了“量子霸權(quán)”，該詞用來(lái)形容當(dāng)量子計(jì)算機(jī)終于做到了經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的事的那一瞬間，盡管那個(gè)計(jì)算任務(wù)可能沒(méi)啥用。這將是地球歷史上一個(gè)獨(dú)特的時(shí)刻。

“量子霸權(quán)”這個(gè)詞(而非這個(gè)概念)引起了兩點(diǎn)爭(zhēng)議，其一是supremacy讓人聯(lián)想到了“白人至上”(white supremacy)，政治不正確，其二是媒體將量子技術(shù)吹得太過(guò)，這個(gè)詞又雪上加霜。普瑞斯基爾預(yù)想到了第二點(diǎn)，不過(guò)沒(méi)料到第一點(diǎn)，不過(guò)總之很多人包括谷歌的AI Quantum團(tuán)隊(duì)都真的很喜歡這個(gè)詞。

普瑞斯基爾曾經(jīng)考慮過(guò)用“量子優(yōu)勢(shì)”(quantum advantage)，不過(guò)感覺(jué)沒(méi)有“霸權(quán)/完勝”那么準(zhǔn)確到位，就沒(méi)有用，雖然這詞現(xiàn)在使用范圍也很廣。

最新的谷歌論文里，他們用了一個(gè)53個(gè)量子比特的設(shè)備，并且說(shuō)它只需數(shù)分鐘就能完成當(dāng)下最強(qiáng)的超算要花數(shù)千年才能完成的計(jì)算。若是如此，這就是實(shí)驗(yàn)物理中的一個(gè)矚目進(jìn)展，是量子計(jì)算硬件在高速研發(fā)的證明，普瑞斯基爾表示予以衷心的祝賀。

不過(guò)谷歌團(tuán)隊(duì)也承認(rèn)，該量子計(jì)算機(jī)飛速解決的問(wèn)題是精心選擇出來(lái)的，沒(méi)有實(shí)用意義，就是為了展示量子計(jì)算機(jī)有多快。簡(jiǎn)單來(lái)講，該量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行了一序列隨機(jī)決定的指令，然后測(cè)量所有量子比特，輸出比特字串。這一量子計(jì)算不包含多少算法結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)不容易復(fù)盤(pán)該計(jì)算，不過(guò)也意味著問(wèn)題的答案沒(méi)有給我們帶來(lái)什么新知識(shí)。

但這一展示仍然意義重大。該團(tuán)隊(duì)用經(jīng)典的超算來(lái)驗(yàn)證他們量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果(當(dāng)然了，要弱化成不需要花幾千年才算出來(lái)的版本)，確認(rèn)了該設(shè)備的運(yùn)作和設(shè)計(jì)相一致。知道硬件正常運(yùn)作之后，我們就能開(kāi)始尋找更有用的應(yīng)用了。

驗(yàn)證硬件運(yùn)作的重要性在哪？就在于精確控制量子計(jì)算機(jī)是非常非常難的。由于海森堡不確定性原理，看一眼量子系統(tǒng)就會(huì)造成干擾，我們要把它完美隔離開(kāi)來(lái)才能安全保存和處理信息，但我們又要對(duì)量子比特進(jìn)行操作，還要測(cè)量得到計(jì)算結(jié)果。所以，要達(dá)成現(xiàn)在這一成就，需要花上好多年來(lái)攻堅(jiān)材料研發(fā)、制造、設(shè)計(jì)和控制技術(shù)。

谷歌所達(dá)成的量子霸權(quán)里程碑是邁向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。普瑞斯基爾為即將到來(lái)的時(shí)代發(fā)明了一個(gè)詞：NISQ(像risk那么念)，全稱是Noisy Intermediate-Scale Quantum(含噪聲的中型量子)。“中型”指的是量子計(jì)算機(jī)的尺寸，可能會(huì)大到足以實(shí)現(xiàn)當(dāng)下超算無(wú)法完成的高度特化計(jì)算任務(wù)的程度。“含噪聲”指我們對(duì)量子比特的控制不完美，會(huì)隨時(shí)間積累誤差，假如我們計(jì)算太長(zhǎng)時(shí)間，得到的答案估計(jì)不正確。

谷歌團(tuán)隊(duì)證明了我們能造出一臺(tái)足夠大也足夠精確的、超越過(guò)去計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，預(yù)告了NISQ時(shí)代黎明的到來(lái)。

那么之后呢？谷歌和其他硬件廠商會(huì)嘗試找實(shí)際應(yīng)用。大型的量子計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)新材料、化合物或者做機(jī)器學(xué)習(xí)，但才幾百量子比特的含噪聲的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該沒(méi)啥用，不過(guò)至少也能在玩耍NISQ技術(shù)的過(guò)程中搞明白它到底能做啥。普瑞斯基爾說(shuō)希望它能改變社會(huì)，不過(guò)那是幾十年后的事了。

在2012年普瑞斯基爾首次提出“量子霸權(quán)”一詞的論文中，他提出疑問(wèn)：“大型量子系統(tǒng)的控制究竟只是非常非常難，還是難以置信般的難？前者的話我們或許在幾十年攻堅(jiān)后能成功造出大型量子計(jì)算機(jī)，后者的話我們可能幾個(gè)世紀(jì)甚至永遠(yuǎn)都造不出來(lái)。”谷歌團(tuán)隊(duì)這一成就讓普瑞斯基爾相信，量子計(jì)算只是非常非常難而已。若是如此，那未來(lái)幾十年就能看到量子技術(shù)四處開(kāi)花了。