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(shí)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(shí)驗(yàn)室階段利用低溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量子糾纏和量子計(jì)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(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)超級計(jì)算機(jī)在短時間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)的功能或者運(yùn)算。

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

谷歌的量子計(jì)算機(jī)

這個時間，甚至?xí)且蝗f年。

1

新老巨頭爭霸

量子計(jì)算機(jī)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(duì)。

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

這被看作是量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)公司都開展了基于量子計(jì)算的技術(shù)儲備。

在這個時代，量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的發(fā)展，幾乎已經(jīng)到了瓶頸。國際計(jì)算機(jī)理論研究界都認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的技術(shù)，誰就能取得未來發(fā)展的先機(jī)。

因此美國政府已經(jīng)將量子計(jì)算機(jī)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(fèi)。

也因此，量子計(jì)算機(jī)的第一輪突破還是發(fā)生在美國。

2015年，在量子計(jì)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(jì)算領(lǐng)域。

兩家選擇的方向完全不同。

IBM基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(yùn)算的技術(shù)研發(fā)。

這也被認(rèn)為是當(dāng)下實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(jì)算芯片。

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

雙方的芯片都只實(shí)現(xiàn)了一個量子比特的運(yùn)算能力。

但毫無疑問，兩大巨頭的加入和技術(shù)的實(shí)施，終于將實(shí)驗(yàn)室中的理論構(gòu)想落到了現(xiàn)實(shí)。這被業(yè)界看作推開了量子計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jì)算的技術(shù)領(lǐng)域。

雙方展開了在芯片的計(jì)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(qiáng)，而谷歌的系統(tǒng)搭建更加能發(fā)揮量子計(jì)算的優(yōu)勢。

就在谷歌宣布實(shí)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營的量子計(jì)算機(jī)。

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(jì)算機(jī)，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(shí)走到了IBM的前面，這樣離能讓人類正常使用的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算領(lǐng)域，顯現(xiàn)出的是雙強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號。

這可能跟我們以往對于西方計(jì)算機(jī)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(jì)算理論，與晶體管計(jì)算機(jī)不一樣，量子計(jì)算機(jī)將天然是一個并行多任務(wù)的體系。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(yùn)算；而量子計(jì)算機(jī)可以并行進(jìn)行多源次多量次的計(jì)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(jì)算機(jī)的話，計(jì)算超過20天才能解密；而利用128位的量子計(jì)算機(jī)的話，僅需要一秒鐘。

但如果換作是同樣的量子通訊，量子計(jì)算機(jī)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(jì)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(duì)，在2017年也宣布正式進(jìn)軍量子計(jì)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(shí)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中內(nèi)實(shí)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀察到的量子糾纏現(xiàn)象，變成可以商用的量子計(jì)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?。

慶幸的是，國內(nèi)目前幾個主流的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，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(duì)、清華大學(xué)和阿里云，紛紛組建了量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)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?yàn)榉浅Ｐ?，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(jì)算機(jī)不同，目前為止，量子的計(jì)算實(shí)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(yùn)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(yùn)行的結(jié)果。

換句話說，目前為止我們還有時間和機(jī)會，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)三個比特的芯片以及基于低溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)六個比特的芯片。

這被看作中國正式進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域的敲門磚。

但這背后確實(shí)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(duì)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(jì)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(jì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)室和航空物理實(shí)驗(yàn)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(duì)，以及南京大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)做技術(shù)研發(fā)和突破。

從實(shí)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(jì)算技術(shù)突破的最主要的一個攔路虎。

但在實(shí)驗(yàn)室階段，我們其實(shí)跟美國兩大巨頭的差距并不大。

晶體管技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的領(lǐng)域，IBM最多實(shí)現(xiàn)了24個比特，我們的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)大，我們現(xiàn)在能在實(shí)驗(yàn)室實(shí)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(jì)算能力的芯片。

最新的消息顯示，IBM已經(jīng)實(shí)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(jì)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(shí)際團(tuán)隊(duì)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(yùn)的戰(zhàn)爭。

兩國的各個參與方和研究團(tuán)隊(duì)，每實(shí)現(xiàn)多一個量子比特的計(jì)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(duì)。

但如何保持這種壓迫性跟隨的姿態(tài)，以及如何能實(shí)現(xiàn)反超，其實(shí)是我們所有團(tuán)隊(duì)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。