许立民，李振华，华兴社会，股票市场。据徐立民、李振华、华兴社报道，2019年，谷歌率先宣布完成“量子霸权”(quantum superiority)，将量子计算推向大众视野，在量子计算领域掀起了数千波浪潮。就在最近，中国团队宣布量子计算机的“九章”问世，是世界上第一个与谷歌的“量子霸权”抗衡的。

《九章》作为一台76个光子、100种形式的量子计算机，处理“高斯玻色采样”的速度比最快的超级计算机“富岳”快一百倍万亿倍。历史上第一次，基于光子的量子计算机的性能超过了最快的经典超级计算机。

同时，《九章》相当于比谷歌去年发布的53位超导量子计算机原型“悬铃木”快100亿倍。这一突破使中国成为世界上第二个实现“量子霸权”的国家，也将量子计算的研究推向了下一个里程碑。

《九章》已经成为世界级的科研成果，关于量子计算和量子霸权的讨论再次接踵而至。“量子霸权”就是“霸权”？什么时候才能完成“量子霸权”？

量子霸权竞争

在经典计算机中，信息的基本单位是比特。这些计算机所做的一切都可以合成为0和1的形式以及0和1的简单运算。与经典计算不同，量子计算是遵循量子力学规律控制量子信息单元停止计算的一种新的计算形式。它最早是由著名物理学家费曼在1981年提出的。

基于量子计算的量子计算机由量子比特或量子位组成，一个量子位对应一种状态。然而，比特状态是一个数字(0或1)，而量子比特状态是一个向量。更具体地说，量子位的状态是二维向量空间中的向量，称为状态空间。

经典计算使用二进制数字电子方法停止运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。因此，量子计算可以借助量子力学的叠加特性完成计算态的叠加。即它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态。

普通计算机中的2位存储一次只能存储一个二进制数(00，01，10，11中的一个)，而量子计算机中的2位存储可以坚持同时叠加所有四种状态。当量子比特数为n时，对n个量子比特进行一次运算相当于对经典比特进行2n次运算。

另外，由于量子纠缠的特性，与目前使用最强算法的经典计算机相比，量子计算机在理论上的一些细节问题上会有更快的处理速度和更强的处理能力。

2019年，谷歌宣布率先完成“量子霸权”。根据谷歌的论文，该团队将其量子计算机命名为“悬铃木”，要解决的问题大致可以理解为“判断一个量子随机数发生器是否真的随机”。

悬铃木包含一个53个量子位的芯片，它可以在200秒内对一个量子电路进行一百万次采样，而同样的计算量需要在世界上最大的超级计算机Summit上用一万年才能完成。

200秒就是一万年。如果这是双方最好的表现，那就意味着量子计算比超级计算有压倒性的优势。因此，这项工作也被认为是人类历史上第一次在实验环境中验证量子优越性，被《Nature》认为是量子计算史上的里程碑。

但这部《九章》在“悬铃木”的根上走得更远。

悬铃木的量子优势取决于样本数量。事实上，采集100万个样本，悬铃木只需要200秒，超级计算峰会只需要2天。量子计算比超级计算机有优势。但是，如果采集100亿个样本，经典的电脑仍然只需要2天，而“悬铃木”需要20天才能完成这么大的样本采样。在这样的条件下，量子计算就失去了优势。

然而，第九章中讨论的高斯玻色采样问题的量子计算优势并不取决于样本的数量。同时，就等效速度而言，《九章》比同轨的《悬铃木》快一百亿倍。按照目前最好的经典算法，《九章》在200秒内采集的5000个样本，如果用中国太湖之光的话，需要运行25亿年。即使使用目前世界第一的超级计算机“富越”，也需要6亿年。

另外，在状态空间上，《九章》在输出量子状态空间达到1030这一点上远远优于《悬铃木》。可以说，《九章》的出色表现，坚定了中国作为国际量子计算研究第一方阵的地位，是量子计算领域的一项重大成就。

完成量子霸权是一场持久的战争

量子霸权并不具有其含义所表达的政治含义，而是一个简单的科学术语，是指量子计算机在某一问题上超越现有最强的经典计算机，被称为“量子优势”，也称“量子霸权”。

基于量子的叠加性，许多量子科学家认为量子计算机在特定任务上的计算能力将远远超过任何经典计算机。但是，目前来看，实现量子霸权还是一场持久战。

原因和量子霸权完成的条件有关。科学家认为，当可以精确控制的量子比特超过一定数量时，量子霸权就可能结束成。这包含了两个关键点，一是支配的量子比特的数量，二是支配的量子比特的精准度。只要当两个条件都到达的时分，才干完成量子计算的优越性。

但是，不管是用54个量子位完成了量子霸权的“悬铃木”，还是构建了76个光子完成量子霸权的量子计算原型机“九章”，固然人们支配量子比特的数量在不时进步，但人们仍需面对量子计算精准度和不可小觑的超算工程潜力。

其中，量子比特可以维持量子态的时间长度，被称为量子比特相干时间。其维持“叠加态”（量子比特同时期表1和0）时间越长，它可以处置的程序步骤就越多，因此能够停止的计算就越复杂。而当量子比特失去相干性时，信息就会丧失。因而，量子计算技术还需求面临如何去控制，以及如何去读取量子比特，然后在读取和控制到达比拟高的保真度之后，去对量子系统做量子纠错的操作。

同时，经典计算的算法和硬件也在不时优化，超算工程的潜力更是不可小觑。比方，IBM就声称，完成53比特、20深度的量子随机线路采样，经典模仿完整能够只用两天多时间，以至还能够更好。

正如前述，“悬铃木”量子优越性的完成依赖其样本数量。当采集100万个样本时，“悬铃木”将比于超级计算机将具有绝对优势，而当采集100亿个样本的话，经典计算机依然只需求2天，可是“悬铃木”却需求20天才干完成这么大的样本采，使得量子计算反而丧失了优越性。

此外，很长一段时间里，量子计算机的优越性都只针对特定任务。比方，谷歌的量子计算机就针对的是一种叫做“随机线路采样（Random Circuit Sampling）”的任务。普通来说，选取这种特定任务的时分，需求经过精心考量，该任务最好比拟合适已有的量子体系，同时关于经典计算来说很难模仿。www.aihot.net

这意味着，量子计算机并不是对一切的问题都超越经典计算机，而是只对某些特定的问题超越经典计算机，因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。关于没有量子算法的问题，量子计算机则不具有优势。

事实上，这也是此次“九章”发明性打破所在。“九章”二次演示的“量子霸权”不只证明了原理，更有迹象标明，“高斯玻色取样”可能有实践用处，例如处理量子化学和数学范畴中的特地问题。更普遍地说，控制控制造为量子比特的光子的才能是构建任何大范围量子互联网的先决条件。

但总的来说，不管是从量子计算的数量还是精度，是经典计算的潜力或者局限，量子计算和经典计算的竞争都将是一个长期的动态过程。

用人们日常的目光来看，量子物理学中的一些事物看起来“毫无章法”，有的似乎完整说不通。但这正是量子力学的诱人之处，使之成为了科学家们努力的意义所在。关于量子力学的诠释能够了解成物理学家在尝试找到量子力学的数学理论与理想世界的某种“对应”。从更深层的角度来看，每种诠释都反映着某种世界观。

人们欣喜于每一次技术的打破，也正是在这些努力中，人类文化才干不时行进。正如此次量子计算机被命名为“九章”一样，那来自《九章算术》的中国古代教科书般的意义，也寄予了人们对将来世界的想像和愿望。

本文章由网络整理采集，不构成任何投资建议，如有侵权，请联系删除。