量子霸權實現了嗎？谷歌的一萬年太久，IBM的只爭朝夕，和中國的百舸爭流_風聞

導讀

谷歌：量子計算機的200秒相當於傳統計算機的一萬年。IBM：改進一下算法，就能把傳統計算機花費的時間縮短到兩天半。科大：對於玻色子取樣，我也快實現量子霸權了。所以現在是：谷歌説：“一萬年太久！”IBM説：“只爭朝夕！”中國説：“水能載舟，亦可賽艇！”

最近，關於“量子霸權”的新聞出現了白熱化的場面：谷歌宣稱自己實現了量子霸權，而IBM對此表示否定。這是怎麼回事呢？

只要理解了“量子霸權”的背景知識，就不難明白了。背景知識見我不久前的文章（“量子霸權”新聞的正確打開方式 | 袁嵐峯）和視頻（【科技袁人】谷歌實現“量子霸權”，中國落後了多少？）。基本的要點是：

量子霸權的意思是，量子計算機在解決特定問題上遠遠超過現有的計算機。

量子計算機可以遠遠超過傳統計算機，是因為它們的基本原理不一樣。傳統計算機的基本單元是比特，即一個體繫有且僅有兩個可能的狀態，好比一個開關。而量子計算機的基本單元是量子比特，它好比一個旋鈕。

一個比特只有兩個狀態，一個量子比特卻有無窮多個狀態。因此，量子計算機有可能做到傳統計算機做不到的事。特別值得注意的是，量子計算機並不是幹什麼都特別快，而是隻對於某些特定的問題才特別快。

量子計算是當今最熱的研究領域之一，各國的政府和企業都在大量地投資。谷歌和IBM是兩個領頭羊，因此雙方激烈碰撞很正常。

那麼，谷歌這個成果到底是什麼呢？

按照2019年10月23日谷歌在《自然》雜誌的論文（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5）宣稱的，是第一次對某個問題，量子計算機超越了目前最強的超級計算機。

這個問題是什麼呢？

谷歌造了一個包含53個量子比特的芯片，對這些量子比特進行隨機的操作，會產生各種由0和1組成的字符串，總共有2的53次方個。由於這些量子比特之間的糾纏，其中一些字符串出現的概率應該比另一些大。要處理的問題，就是檢驗是不是真的出現這樣的分佈。

谷歌論文圖1對量子計算機結構的演示

很容易理解，這個任務天生就適合量子計算機，不適合傳統計算機，好比在打擂台時挑了一個對某一方最有利的場地。你如果願意的話，當然可以説它勝之不武。而且，這個問題目前也沒有實用價值。但無論如何，能夠實現量子計算機超越超級計算機的演示，意義總是重大的，就像萊特兄弟的飛機首飛（https://www.nature.com/articles/d41586-019-03173-4）。

具體而言，這台量子計算機花了200秒對一個量子線路取樣一百萬次，而現有的最強的超級計算機完成同樣的任務需要一萬年。200秒對一萬年，如果這是雙方的最佳表現，那麼確實是壓倒性的優勢。

谷歌論文圖4對量子霸權的演示，注意最右邊黑色箭頭上方的一萬年與中縫中的200秒的對比

現在問題來了。IBM跳出來説（https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf），傳統計算機並沒有谷歌認為的這麼弱，——我還能搶救一下！IBM給出了一個改進的算法，一下子把傳統計算機花費的時間從一萬年縮短到了兩天半。

我覺得還可以再搶救一下

所以開玩笑地説，現在的局面是這樣：

谷歌説：“一萬年太久！”

IBM説：“只爭朝夕！”

雙方在這一點上掐得你死我活。

兩天半雖然還是比200秒長很多，但畢竟是可以實現的了。這樣一來，就大大沖淡了谷歌成果的意義。

IBM為什麼能改進傳統算法呢？因為谷歌的算法只用到了內存，IBM指出：別忘了世界上有個東西叫做“硬盤”啊！把一部分數據放到硬盤上，通過適當的任務劃分，就可以用空間換時間。

這實在是個很簡單的思路，一説出來大家都能理解。因此，谷歌免不了“故意放水”的嫌疑。

不過話説回來，按照量子霸權這個詞原來的定義，只要超過傳統計算機就行，那麼200秒對2.5天也算是霸權了。原來谷歌還希望把傳統計算機打到算不動，這個目標現在被IBM的反對推遲了。

我反對這門親事！（電影《大話西遊》）

當然，傳統計算機的算法還可以進一步優化，比如説降到1小時也不奇怪。不過同時量子計算機也在進步，所以在這個問題上，傳統計算機趕上量子計算機仍然是不太可能的事。

還有人會問：可以把地球看作一台預測地震的計算機，計算的結果就是震給你看，那麼谷歌這台量子計算機跟“地球計算機”有什麼區別？

回答是：在正常的語境下，人們不會把一個體系的自然演化當作一台計算機。不過確實有一種實驗是觀察一個量子體系的演化，目標是用它來模擬另一個體系。這種實驗叫做量子仿真，可以非常高效，但只能幹這一件事，所以也被稱為專用的量子計算機。谷歌這台量子計算機是一台通用的量子計算機，在原則上可以幹任何事情，也就是説，它是可以編程的。專用的量子計算機超過傳統計算機，是早就有的，不足為奇。現在大家關心的，是通用的量子計算機能不能超過傳統計算機。

最後，在《自然》雜誌發表谷歌論文的前一天（2019年10月22日），中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽等人在論文預印本網站arXiv上傳了一篇文章  《用20個輸入光子在60模干涉儀中實現10的14次方態空間的玻色子取樣》（“Boson sampling with 20 input  photons in 60-mode interferometers at 1014 state spaces”，鏈接https://arxiv.org/abs/1910.09930）。這個工作也是在對某個特定問題尋求實現量子霸權，這個問題叫做“玻色子取樣”。

態空間的大小，就是總的狀態的數量。谷歌論文中的態空間大小是2的53次方，約等於10的16次方，即一億億。潘建偉與陸朝陽等人論文中的態空間大小約為10的14次方，即一百萬億，比以前的同類實驗增大了10個量級，但還不如谷歌的。因此目前他們還沒有實現量子霸權，他們用光子做到的玻色子取樣，用超級計算機可以在幾個小時內完全檢驗。

在實現量子計算的道路上，我們需要探索所有可能的途徑。無論是谷歌，還是IBM，還是科大，各個機構和國家的百舸爭流，是這個領域蓬勃進步的最好景象！