北京時間2019年10月23日，谷歌宣布之前他們遞交了一個關(guān)于量子霸權(quán)實現(xiàn)的論文，得到了審核通過并公開發(fā)表。

這意味著他們在實驗室階段利用低溫超導(dǎo)實驗技術(shù)實現(xiàn)的量子糾纏和量子計算，得到的量子霸權(quán)結(jié)果被業(yè)界承認(rèn)。

所謂量子霸權(quán)，就是量子計算機要實現(xiàn)超級計算機在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)的功能或者運算。

而美聯(lián)社援引相關(guān)專家的話表示，此次谷歌原型機在200秒內(nèi)實現(xiàn)的量子計算的結(jié)果，如果用類似中國的銀河、曙光系列的超級計算機來進(jìn)行運算的話，可能要運行很長時間。

谷歌的量子計算機

這個時間，甚至?xí)且蝗f年。

1

新老巨頭爭霸

量子計算機的理論，最早產(chǎn)生于20世紀(jì)初。在經(jīng)典物理學(xué)理論崩塌的那個時代，連續(xù)三年的諾貝爾物理學(xué)獎，都搬給了量子物理領(lǐng)域的研究團(tuán)隊。

其中，加州理工學(xué)院的理查德·費曼提出的量子糾纏與量子計算理論，在獲得諾貝爾物理學(xué)獎之后，得到計算機業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)同。

這被看作是量子計算機的理論基礎(chǔ)。

但直到21世紀(jì)第一個10年之后，幾大主流的計算機公司都開展了基于量子計算的技術(shù)儲備。

在這個時代，量子計算機仍然是沉浸于科幻小說之內(nèi)的一個簡單設(shè)想。

由于晶體管計算機的發(fā)展，幾乎已經(jīng)到了瓶頸。國際計算機理論研究界都認(rèn)為，量子計算機一定是打破晶體管屏蔽的最主要的方式和手段。

誰能首先掌握量子計算機的技術(shù)，誰就能取得未來發(fā)展的先機。

因此美國政府已經(jīng)將量子計算機列入國家層面必須嚴(yán)格對待的三大未來核心技術(shù)，并通過立法，每年向這一領(lǐng)域撥款超過20億美元，的研發(fā)經(jīng)費。

也因此，量子計算機的第一輪突破還是發(fā)生在美國。

2015年，在量子計算的歷史上是一個分水嶺。

這一年谷歌和IBM兩大新舊巨頭，紛紛投入技術(shù)和資本力量進(jìn)軍量子計算領(lǐng)域。

兩家選擇的方向完全不同。

IBM基于傳統(tǒng)計算機研發(fā)能力以及技術(shù)的積累，選擇了晶體管量子化的技術(shù)方向；而谷歌一門心思進(jìn)入了低溫超導(dǎo)條件下量子運算的技術(shù)研發(fā)。

這也被認(rèn)為是當(dāng)下實現(xiàn)量子計算技術(shù)最核心的兩大流派。

經(jīng)過一年的準(zhǔn)備，2016年的時候，兩方不約而同在一個月內(nèi)，分別發(fā)布了自己的第一款量子計算芯片。

當(dāng)然，相比較現(xiàn)在非常復(fù)雜的運算能力，當(dāng)時那個芯片實現(xiàn)的能力可算非常簡陋。

雙方的芯片都只實現(xiàn)了一個量子比特的運算能力。

但毫無疑問，兩大巨頭的加入和技術(shù)的實施，終于將實驗室中的理論構(gòu)想落到了現(xiàn)實。這被業(yè)界看作推開了量子計算機技術(shù)的大門。

接下來的發(fā)展就非常有意思。

谷歌繼續(xù)深化自己在低溫超導(dǎo)實驗室條件下的量子芯片的研發(fā)和系統(tǒng)的搭建。

而在2017年，利用晶體管技術(shù)已經(jīng)達(dá)不到谷歌量子芯片相關(guān)的水平之后，IBM也轉(zhuǎn)型到了超導(dǎo)量子計算的技術(shù)領(lǐng)域。

雙方展開了在芯片的計算能力上的軍備競賽。

目前兩方都掌握了超過50比特量子芯片的制造技術(shù)，IBM的商業(yè)化能力更強，而谷歌的系統(tǒng)搭建更加能發(fā)揮量子計算的優(yōu)勢。

就在谷歌宣布實現(xiàn)量子霸權(quán)前不到一周，IBM公布了自己所謂第一臺可以實現(xiàn)商業(yè)化運營的量子計算機。

因此，量子霸權(quán)被突破的這個消息出來以后，IBM對谷歌的結(jié)果進(jìn)行了大量的質(zhì)疑。尤其是，他們認(rèn)為利用IBM自己的巨型計算機，并不需要時那么長時間就能得出結(jié)果。

但不可否認(rèn)的是，谷歌的現(xiàn)在的技術(shù)突破確實走到了IBM的前面，這樣離能讓人類正常使用的量子計算機的出現(xiàn)，又大大進(jìn)了一步。

2

不得不做的準(zhǔn)備

目前量子計算領(lǐng)域，顯現(xiàn)出的是雙強領(lǐng)跑，中美爭霸的格局。

非常有意思，同樣是針對于量子物理和量子糾纏的觀察，中國大量的實驗室將技術(shù)研發(fā)的方向轉(zhuǎn)移到了量子通訊。

同樣在IBM和谷歌發(fā)布第一款量子芯片的2016年，中國發(fā)射了全人類第一顆量子通訊實驗衛(wèi)星——墨子號。

這可能跟我們以往對于西方計算機技術(shù)的控制權(quán)不在手上，感到恐懼有關(guān)。

根據(jù)量子計算理論，與晶體管計算機不一樣，量子計算機將天然是一個并行多任務(wù)的體系。

傳統(tǒng)計算機通過調(diào)用資源存儲，利用時間的疊加來完成對大量數(shù)據(jù)的運算；而量子計算機可以并行進(jìn)行多源次多量次的計算。

根據(jù)相關(guān)的理論，一個12位的密碼，如果利用晶體管計算機的話，計算超過20天才能解密；而利用128位的量子計算機的話，僅需要一秒鐘。

但如果換作是同樣的量子通訊，量子計算機的解密程度也就大大降低了。

這就解釋了，為什么我們選擇先入手的量子糾纏理論產(chǎn)生的技術(shù)是量子通訊。

但畢竟量子計算是當(dāng)下世界最頂尖的技術(shù)，所以中科院的相關(guān)研究團(tuán)隊，在2017年也宣布正式進(jìn)軍量子計算領(lǐng)域。

與其他國家不太一樣，中科院的相關(guān)的研究室其實已經(jīng)在實驗室中內(nèi)實現(xiàn)了超過20比特的量子糾纏，這也是我們?yōu)槭裁纯梢灾谱髂犹柫孔油ㄓ嵭l(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)和儲備。

但是將實驗室內(nèi)觀察到的量子糾纏現(xiàn)象，變成可以商用的量子計算芯片，是一個非常艱巨的過程。

但如果我們不做的話，在這個領(lǐng)域被落下，就會是非?？植赖囊患虑椤?/p>

慶幸的是，國內(nèi)目前幾個主流的應(yīng)用團(tuán)隊，都已經(jīng)紛紛展開對這一領(lǐng)域的研究。而且在2017年，中科院相關(guān)的研究團(tuán)隊、清華大學(xué)和阿里云，紛紛組建了量子計算的實驗室或者應(yīng)用公司。

其中中科院組建的本源量子是目前為止最成熟的量子計算商用化的平臺。

他們的出現(xiàn)，意味著中國正式進(jìn)入了這一領(lǐng)域。但實際上，我們與IBM和谷歌差了不僅僅是一年。

3

白手起家的追趕

這個領(lǐng)域因為非常新，所以沒有后發(fā)優(yōu)勢。

連監(jiān)測的儀器、甚至恒壓的電源都必須自己開發(fā)，幾乎等同于白手起家。

與傳統(tǒng)的晶體管計算機不同，目前為止，量子的計算實現(xiàn)必須工作在接近絕對零度的環(huán)境下。而且它所顯現(xiàn)出來的運算成果，也需要通過儀器去做觀察，而不是直接顯示出編程語言運行的結(jié)果。

換句話說，目前為止我們還有時間和機會，因為量子計算機還遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上可以商用。

2018年本源量子發(fā)布了第一款基于晶體管技術(shù)的實現(xiàn)三個比特的芯片以及基于低溫超導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)六個比特的芯片。

這被看作中國正式進(jìn)入量子計算領(lǐng)域的敲門磚。

但這背后確實有很多的問題。

一些是可以克服的，并且已經(jīng)在這幾家團(tuán)隊的內(nèi)部進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，比如監(jiān)測器和軟件，平臺的操作軟件以及相關(guān)結(jié)果的處理等等。

國內(nèi)的幾個量子計算平臺，在這些上面已經(jīng)展開了合理分布的研究和配合。

但也有一些問題，遇到了非常困難的局面。

比如恒溫電源。

目前，能利用在量子計算領(lǐng)域的恒溫電源，以美國為首的西方國家對我們是嚴(yán)格禁運的。

頗有諷刺意味的事，2000年以前中國是世界電源技術(shù)最好的國家。類似這樣的恒溫電源，當(dāng)時是一些電源廠最主要的出口產(chǎn)品。

但由于使用面太窄，僅供量子物理實驗室和航空物理實驗室來使用，導(dǎo)致很多電源廠虧損。因此，在新的世紀(jì)，中國高端電源制造就逐漸沒落了。

為了解決這個問題，國家部位正牽頭組織中國科技大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊，以及南京大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊做技術(shù)研發(fā)和突破。

從實際的角度來看，沒有五年我們解決不了這個問題。這成了阻擋中國量子計算技術(shù)突破的最主要的一個攔路虎。

但在實驗室階段，我們其實跟美國兩大巨頭的差距并不大。

晶體管技術(shù)實現(xiàn)量子計算的領(lǐng)域，IBM最多實現(xiàn)了24個比特，我們的實驗室里基本上也能做到20個比特左右；而低溫超導(dǎo)技術(shù)這個差距有一點大，我們現(xiàn)在能在實驗室實現(xiàn)50個比特左右，像本源量子這樣的公司，能在商用中制造20個比特計算能力的芯片。

最新的消息顯示，IBM已經(jīng)實現(xiàn)了52個比特的芯片；谷歌這邊是超過70個比特的芯片。

國內(nèi)的專家認(rèn)為，在低溫超導(dǎo)的量子計算領(lǐng)域，我們與國外最頂級的企業(yè)之間的差距，還有一年。

這與我們實際團(tuán)隊投入的時間，是成正比的。

結(jié)語

目前這已經(jīng)變成了一場國運的戰(zhàn)爭。

兩國的各個參與方和研究團(tuán)隊，每實現(xiàn)多一個量子比特的計算，就為搶占這一領(lǐng)域的優(yōu)勢增加了一碼勝算。

慶幸的是，我們?nèi)匀粵]有掉隊。

但如何保持這種壓迫性跟隨的姿態(tài)，以及如何能實現(xiàn)反超，其實是我們所有團(tuán)隊必須要考慮的問題。

不管谷歌和IBM現(xiàn)在有沒有做秀的成分，他們已經(jīng)是領(lǐng)先者。

在這個領(lǐng)域，贏者通吃。

好在戰(zhàn)爭剛剛開始，一切仍猶未晚。