什么是量子霸权？为什么它很重要？

量子系统的概念最早由俄罗斯数学家尤里·曼宁 (Yuri Manin) 在 1980 年提出。然而，理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1980 年代初期构想了量子计算机的可能性。

费曼提出量子计算机可以有效解决化学和物理问题。今天的计算机使用二进制逻辑来执行任务，但如果我们利用量子力学的规则，许多复杂的计算任务将变得可行。

2012 年，美国理论物理学家约翰·普雷斯基尔 (John Preskill) 创造了“量子霸权”一词来描述一个比经典计算机先进得多的系统。它预示着嘈杂的中尺度量子技术时代的到来。

在这篇概述文章中，我们已经解释了“量子霸权”会带来​​什么不同，科技公司迄今取得的成就，为什么它如此重要。让我们从基础开始。

究竟什么是量子霸权？

量子霸权的目标是建立一个量子计算系统，可以在合理的时间内解决经典计算机无法解决的问题。

这涉及开发强大的量子机器的工程任务，以及对量子计算机可以解决的计算问题进行分类的计算复杂性理论任务。

量子霸权是通往更强大和更有用的计算道路上的重要一步。已经提出了几个建议来证明量子霸权。最值得注意的是：

• 对随机量子电路的输出进行采样
• D-Wave 设计的受挫的集群循环问题
• Aaronson 和 Arkhipov 提出的玻色子抽样方案

我们如何确定已经实现了量子霸权？

验证量子霸权是最棘手的任务之一。这不像核爆炸或火箭发射，您只需观看即可立即知道它是否成功。

你必须准确地证明两件事来验证量子霸权：

1. 量子设备可以快速执行计算。
2. 没有任何经典计算机可以有效地执行相同的计算。

第二部分相当复杂。事实证明，经典计算机可以非常有效地处理特定类型的问题（比科学家的预期要好）。在证明经典计算机不可能有效执行特定任务之前，总是有可能存在更有效、更好的经典算法。证明没有这样的经典算法可能会引起争议，并且可能需要很多时间。

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制造量子计算机之战

量子设备已经工作了好几年，但它们仅在某些条件下才能胜过经典计算机。这些量子机器执行的大部分任务甚至在日常生活中都没有用。

2016 年，谷歌使用 9 量子位量子芯片开发了一个完全可扩展的氢分子量子模拟。 2017 年，英特尔制造了用于量子计算的 17 量子位超导测试芯片，IBM 推出了可以保持其量子态 90 微秒的 50 量子位芯片。

英特尔研发的17-qubit超导测试芯片

2018 年，谷歌发布了一款名为 Bristlecone 的 72 量子位处理器，2019 年，IBM 推出了全球第一台商用电路量子计算机 IBM Q System One。

D-Wave Systems 是一家资金充足的加拿大量子计算公司，仍然是个例外。 2015 年，其拥有 1000 多个量子位的 2X 量子计算机安装在 NASA 的量子人工智能实验室。该公司拥有 2048 量子位的后续出货系统。他们的设备依靠一种称为量子退火的替代技术来解决非常具体的问题。

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Google 的重大公告

突然，到 2019 年底，谷歌研究人员宣布他们已经实现了量子霸权。他们开发了一种名为 Sycamore 的 54 量子位处理器，可在 200 秒内执行目标计算（随机抽样计算）。

根据研究小组的说法，一台经典的超级计算机需要 10,000 年才能执行相同的计算。这种速度的显着提高（与经典算法相比）是针对这一特定任务的量子霸权的实验实现。

他们做了什么？

为了证明量子霸权，谷歌选择解决一个称为“随机电路采样”的特定问题。这个问题的一个简单例子是一个模拟公平骰子滚动的程序。

如果程序从所有可能的结果中适当地采样，它就会准确地运行。这意味着程序在重复执行时应该在 1/6 的时间内在骰子上生成每个数字。

在实际场景中，计算机需要从随机量子电路的所有可能输出中正确采样，而不是放置骰子。这一系列动作是在一堆量子位上执行的。当量子位通过电路时，其状态会发生纠缠（也称为量子叠加）。

例如，当一个电路作用于 54 个量子位时，它会导致 54 个量子位成为 2 ⁵⁴ 的叠加 电路末端的可能状态。这意味着 2 ⁵⁴ 的集合 可能性折叠成一串 54 位。这就像掷骰子，但不是 6 种可能的结果，而是 2 ⁵⁴ 结果，并非所有情况都同样有可能发生。

来自这个随机电路的一系列样本（遵循适当的分布）可以在量子计算机上有效地生成。但是，没有任何经典算法可以在最先进的超级计算机上生成这些样本。因此，随着样本数量的增加，数字超级计算机很快就会被计算淹没。

在这个实验中，谷歌研究人员运行了 12 到 53 个量子位的随机简化电路，保持门循环（量子逻辑门）的数量不变。然后他们使用经典模拟来检查量子计算机的性能，并将其与理论模型进行比较。

一旦他们确认系统运行正常，他们就运行了 53 个量子位的随机硬电路并增加了门周期，直到他们达到经典模拟无法运行的程度。

证明量子霸权的过程|信用：谷歌

该实验是在一个完全可编程的 54 量子位芯片 Sycamore 上进行的。它包含一个 2D 网格，其中每个量子位连接到其他 4 个量子位，从而为量子位状态提供足够的连接性（因此它们可以立即在整个处理器中交互）并且使得在经典计算机上执行相同的计算变得不可行。

为了达到这种性能水平，他们使用了一种新型控制旋钮，可以关闭附近量子位之间的交互，从而显着减少多连接量子位系统中的错误。他们还开发了新的控制校准以避免量子位缺陷，并优化了芯片设计以降低串扰，进一步提高了量子芯片的性能。

谷歌真的实现了量子霸权吗？

Google 的 Sycamore 芯片在量子低温恒温器内保持凉爽。图片来源：埃里克·卢塞罗/谷歌

尽管谷歌声称它已经实现了量子霸权，一台经典的超级计算机需要大约 10,000 年才能完成同等任务，但 IBM 对这一说法提出异议，称在经典计算机上可以在 2.5 天内完成相同任务的理想模拟，远更高的保真度。

谷歌的实验不应被视为量子设备优于经典计算机的证据。然而，它完美地展示了基于超导的量子计算的进展，揭示了 53 量子位系统上最先进的门保真度。

包含“实现量子霸权”的一些变体的标题引人注目，读起来很有趣，但它们完全误导了公众。

根据量子霸权的定义，目标尚未实现。即使有人在不久的将来证明了这一点，量子计算机也永远不会超越经典计算机“至高无上”。相反，量子系统将与经典超级计算机一起工作，因为每个系统都有其独特的优势和优势。

命名争议

一些科学家不同意“量子霸权”这个词。根据他们的观点，“霸权”这个词与“白人至上”相关联，带有暴力、新殖民主义和种族主义的色彩。他们建议使用替代词“量子”应该使用优势'来代替。

然而，提出这句话的约翰·普雷斯基尔澄清说，他想强调的是，这是历史上一个基于量子定律的信息技术方兴未艾的特权时期。他还解释说，“量子霸权”最能抓住他想要传达的观点。其他词，例如“优势”，缺乏“至高无上”的冲击力。

应用与未来

量子计算的最新进展激励了新一代计算机科学家和物理学家从根本上改变了信息技术。

目前，科学家们正在研究能够实时纠正计算错误的容错量子机器，从而实现无错误的量子计算。考虑到目前量子计算的技术水平，这个目标距离实现还有几年的时间。

科技公司正在投资数亿美元以尽快开发容错量子设备。然而，最大的问题是量子机器在执行有用的任务之前是否需要具有容错能力。

这样的机器有望提供各种有价值的应用。例如，量子计算可以改善天气预报，加强网络安全，并帮助设计用于飞机和轻型汽车电池的新材料。它可以精确地绘制单个分子，这反过来又可能为药物研究提供机会。

它也可能对银行业产生重大影响。量子计算可以处理与投资策略优化相关的财务问题，这涉及分析大量投资组合以找出最合适的标准或识别欺诈交易。

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目前，很难预测量子计算对哪个行业的影响最大，因为它已经在非常有限的任务集上进行了测试。我们需要耐心等待几年（甚至几十年）才能领略到量子时代的全部辉煌。