谷歌“量子霸權”論文引爭議，為何各國要斥巨資發展量子科技？_風聞

谷歌的Sycamore量子處理器

上月，谷歌在《自然》雜誌上以封面文章的形式發表了一篇論文，文中聲稱他們的53位量子計算機（名為Sycamore）花了200秒來完成了一項傳統超級計算機需要花1萬年才能完成的任務，首次實現了“量子霸權”。

該新聞隨即被全球各大媒體爭相報道，作為谷歌在量子計算領域的頭號對手IBM坐不住了，憋了一個月，在 arXiv 上以論文的形式反駁了該説法，指出谷歌的實驗室存在缺陷，並通過自家的模擬方法估算出經典超級計算機上模擬谷歌的量子電路只需要兩天半。

《論量子霸權》來源：IBM官網

每當與量子計算機有關的新聞出現時，業界和媒體總能為之興奮好一陣，但歸根結底，距離吃瓜羣眾最關心的實際應用還有幾十年的路要走。

那麼，“量子霸權”究竟是什麼？

為何這場量子技術競賽如此激烈，從美國到中國，以及世界上最大的企業和機構，包括谷歌、IBM、美國宇航局（NASA）、微軟、洛克希德馬丁和阿里巴巴在內，都參與其中？

本文將從量子計算説起，為你科普“量子爭霸”這場不見硝煙的競賽，以及中國在這場全球競爭中所處的位置。

量子計算和量子霸權

量子計算機用的不是比特——不是0就是1——而是量子比特，能以0和1的疊加態存在。這就意味着，相較於傳統計算機，它們能存儲更多信息，且消耗更少的電量。這樣一來，那些讓普通機器頭疼的複雜計算，比如特定化學反應的模擬、質數的計算，或是複雜加密的破解等具有重大經濟和社會價值的問題，量子計算機都可以為此作出貢獻。

比如説高温超導，我們現在對高温超導的機制還搞不明白，一旦我們能夠把這個機制搞清楚，我們就可以把它用來指導、設計超導的一些新材料，這樣就可以解決很多的能源問題。

再比如高效的氮固化。我們很多人都在小學課本里學過，大豆的根瘤菌可以把空氣裏面的氮氣轉化成氮肥。但是這麼一個量子化學的過程，我們現在是沒有辦法把它給計算清楚的。目前我們要耗用全世界10%的電量來製造氮肥。如果可以用量子計算機把這個問題解釋清楚的話，就可以省下這巨大的能耗。

由於量子計算機“至今”還未真正展現出超越傳統計算機的關鍵優勢，因而它的實際應用還停留在理論階段，這一重大轉折點也被稱為“量子霸權”。其中，一個常被當作量子霸權的重要指標是量子比特**(Qubit)**數量，有學者認為，大概 50 個量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。

中國科技大學上海研究院教授陸朝陽在造就的演講《量子信息時代，中國要彎道超車》

大力投資“超級工程”

隨着量子技術的進步，最嚴密的加密形式都可能被破解，計算能力也會實現飛躍，潛在的政治與經濟影響不容小覷。當前保護金融數據和軍事機密的加密手段，在量子計算面前或許不堪一擊。

2016年8月，中國的“墨子號”作為世界首顆量子衞星從戈壁發射升空，在距地500公里處繞地飛行。

2017年，中國和奧地利科學家利用“墨子號”衞星，進行了一次量子加密的視頻通話。

中國研究人員就是想通過“墨子號”，利用一種不同於以往的量子技術，開發出無法被破解的新型保密通信。“墨子號”被用於共享密鑰，而這些密鑰，則是加密和解密通信技術的關鍵。

通常，這些密鑰容易被劫持，但“墨子號”利用了處於量子疊加態的光子——要麼不破譯，一旦破譯，原信息就會被破壞。所以，以這種方式發送出去的密鑰，是無法被複制或劫持的。

而在量子計算這個歷來由歐美主導的領域中，中國正奮力追趕。

中國政府將量子技術作為一項“超級工程”的重點，力爭在量子通信和量子計算領域取得重大突破。據報道，中國將投資100億美元，在合肥建立量子信息科學國家實驗室。

“近五年來，中國對量子技術進行了大力投資。”蘭卡斯特大學量子技術中心主任羅伯特·揚（Robert Young）表示，“中國已經進入了領先地位，而且速度比較快。”羅伯特·揚同時還是中國電子科技大學基礎與前沿研究院的客座教授。

不光是量子科學領域，在人工智能領域，中國的投資力度也絲毫不減。在一定程度上，這都是為了在未來幾十年引領科技進步。“中國基本錯過了數字革命，這給中國和中國經濟拖了後腿。”羅伯特·揚表示，“中國不想再錯失良機了。”

潘建偉也認同這一觀點。“在現代信息科學方面，中國一直是學習者和模仿者。”他説，“現在，在量子技術領域，若能竭盡全力，我們有望成為主要玩家。”

潘建偉

從量子保密通信到量子計算

一開始，中國的進展主要都在量子保密通信領域——比如“墨子號”這樣的項目，以及山東省的地面量子網絡。“在量子通信領域，我們領先於世界同行。”潘建偉説。

但在量子計算領域，局面就沒那麼明晰了。構建量子計算機的難度非常大，哪怕是最細微的環境干擾，都可能破壞量子比特的疊加態。而要繪製複雜的概率路徑，這種疊加態不可或缺。

量子計算機要被防護得嚴嚴實實才行，而且，構建它們所需的技術，大多都需要一個接近絕對零度的環境。目前，最先進的量子計算機——谷歌、IBM和D-Wave等企業正在研發的那些——還未邁過100量子比特的大關，而且由於“量子比特啞火”現象的存在，錯誤率或高達50%。“只要越過100量子比特關卡，事情就會變得有趣；但可能得突破1000量子比特，才會真正讓人興奮。”羅伯特·揚表示。

美國企業稱，未來五至十年，它們就可以研發出可運轉的量子計算機。但中國的估計更為保守。“我們必須解決那些根本性的問題。”潘建偉説，“依我看，估計還要二三十年。”

一些中國企業，比如騰訊、阿里巴巴和百度也加入了量子競賽，但略微晚了些。“幾年前，要説服中國電商投資這類研究，難度還是很大的。”潘建偉説，“但在谷歌、IBM、英特爾和微軟等公司的影響下，如今，這些中國電商都有了自己的量子技術項目。”

若論量子處理器包含的量子比特數，中國還不是美國的對手。不過去年，中國科學家創下了一項世界紀錄：實現了18個量子比特的糾纏。這種糾纏是一種相互聯結的狀態，是量子計算中必不可少的一環。

這跟大體的技術發展規律相符。“並沒有證據表明，中國在生成量子的方式上有什麼新的突破——那屬於最根本的基礎科學，實現方式就那麼幾種。”Patinformatics董事總經理託尼·特萊普（Tony Trippe）説，“過去四年裏，中國對專利的主導，主要是在應用方面。”

儘管中國在量子硬件的構建方面處於落後地位，但在量子計算機問世後的實際應用方面，中國一直在進步。據羅伯特·揚所言，至於前景最光明的用途是什麼，現在並不清楚——量子計算的一些潛在用途，我們現在也許都不曾想到。不過，個人電腦或是筆記本電腦不太可能裝上量子芯片——我們也許會通過雲端，訪問一台中央量子計算機。其實，IBM已經在提供這樣的服務。

在量子計算的下一個階段，中國的財力有望發揮關鍵作用。“要想在中國營造一個量子環境，財力非常關鍵。”牛津大學量子力學教授阿圖爾·埃克特（Artur

Ekert）説，“墨子號”背後的理論就是他提出的。“打個比方，光是發明電話是不夠的——光你一個人有電話，你打給誰？你得有整套基礎設施、整個金字塔，你不能只有一幫物理學怪才，還要有量子工程師、計算機科學家、加密學家，以及推銷的好手。”

埃克特將中國的做法比作NASA的阿波羅登月計劃。“具體哪種量子技術最好用——是超導環路、囚禁離子，還是別的什麼——我們不清楚。”他説。你要把很多不同領域的專家聚到同一個屋檐下才行。

要競爭，也要協作

我們很容易將量子計算和加密技術的發展視為零和遊戲，但事實並不是如此。

潘建偉在這項技術上的基礎是在歐洲打下的。中國研究人員也在與奧地利同行密切合作，研發“墨子號”等技術。

但隨着量子技術從學術界轉移到應用領域，這種態度或許會略有轉變。“放在五年前，我會説，這是協作性的；但這五年裏，出現了些許泡沫。”埃克特説。

網絡安全專家們時時恐懼着“Q日”（量子日）的到來——那一天，首台量子計算機誕生於世，它足以破解當代絕大多數的加密標準。如果某個國家率先實現，問題就會產生——所謂“量子驚詫”，説的就是某個國家發展出一種全新的量子技術，讓別國措手不及。

“適當程度的擔憂還是有必要的。”埃克特説，“量子領域實在是太重要了，絕不能讓世界某個區域遙遙領先。”但對羅伯特·揚而言，量子領域的挑戰是如此複雜、且耗時耗力，任何國家都難以捷足先登。“我想，這年頭，要保密是很難辦到的。”

在這個領域，不同的研究團隊嘗試着各種不同的方法，各國將資源投入各式各樣的項目。2016年，中國政府將量子技術置於第十三個“五年規劃”的核心，自此，歐洲和美國也紛紛投資起了自己的項目。

歐盟將向量子技術旗艦計劃（Quantum Technologies Flagship）投資10億歐元，該計劃已於2018年11月初啓動。美國也組建了一支跨黨派團隊，致力於推動立法，欲投資12.5億美元用於量子研發。

中國正着眼於構建多衞星量子網絡，及一台量子模擬器，用以破解科學難題。在美國，科技巨頭們聚焦於提升處理器的量子比特數，同時降低量子計算機的錯誤率。在量子算法領域，英國是目前的領頭羊。

“真正激動人心的，以及中國投資於此的原因，是他們不知道潛力有多大。”羅伯特·揚表示，“這顯然會是下一項革命性的技術，顯然會有一大批有趣的設備出現，而他們所投資的，正是這種潛力。”

毋庸置疑，大量的投資使中國處在了有利地位，至於哪種量子技術會奏效，這種技術會帶來怎樣的結果，目前沒人清楚——最大的突破可能來自合肥的100億美元量子樞紐，也可能來自一個相對較小的投資項目。

但量子技術要成為真正的革命性技術，全球協作必不可少。“僅憑一國之力是發展不出量子技術的。”潘建偉説，“我們可以開展一場競賽，但相互交流與協作不可或缺。”

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