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2019年10月24日，著名自然(Nature)雜誌發表了一篇名為《利用可編程超導處理器實現量子霸權》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor) 的論文，宣布穀歌的懸鈴木(Sycamore) 量子計算機，實現了“量子霸權”。穀歌使用超冷超導金屬構建量子電路來操縱量子比特。懸鈴木(Sycamore) 量子計算機(下圖 WIRED) 擁有54個量子比特陣列，這些量子位被冷卻到絕對零度以上的分數。除一個量子位外，53個量子位發揮了它們的功能，並在200秒內完成了一項需要超級計算機1萬年才能完成的任務。由此，首次在實驗中證明了量子計算機對於傳統架構計算機的優越性。
一年多後的2020年12月3日，《科學》雜誌在線發表了中國大陸科學家關於量子計算機原型實驗結果的科學論文。中國科技大學的潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微係統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章” (下圖 ScienceNews)，求解數學算法“高斯玻色取樣”。“九章”由激光器作為光源和分束器組成，還有數百個棱鏡和幾十個反射鏡，為光子的傳播提供隨機路徑。“九章”處理5000萬個樣本隻用了200秒，而目前世界最快的超級計算機(日本富嶽)則需花6億年的時間。
量子霸權
量子霸權又稱量子優勢(quantum supremacy or quantum advantage) ，是由美國加州理工學院理論物理學家，該校量子信息與物質研究所所長約翰·普雷斯基爾(John Phillip Preskill) (下圖 Alchetron) 創造的。普雷斯基爾在2012年提出了“量子霸權”(quantum supremacy) 的專業詞匯：量子計算機可以做到經典計算機所做不到的事情，而不管這些任務是否有意義。換句話說，量子霸權的目標是證明量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力，一個可編程的量子設備可以解決一個經典計算機在任何可行的時間內都無法解決的問題(而不考慮問題的實用性)。通過這一新術語，他想要強調，這是星球曆史上的一個特權時期，即基於量子物理學原理的信息技術正在崛起。
量子計算之所以能快，全在於其量子計算時的疊加狀態。我們今天廣泛使用的經典計算機操作時，信息存儲為二進製0和1狀態，一次可以處理“1”或“0”。而量子計算機利用量子力學的原理，用量子比特(qubits) 計算，處理器可以同時是1和0，即量子疊加的狀態。根據量子力學的基本原理，一個量子比特可以同時有兩種狀態；兩個量子比特則可以同時表示4種狀態；三個量子比特可以同時表示8種狀態等等。隨著量子比特數目的增加，其運算能力也呈指數級增加。
“天下武功，唯快不破。”由於量子疊加，一台量子計算機——如果它按計劃工作的話——可以模仿幾個並行工作的經典計算機。具體表現，若從800萬本書裏找一單詞，經典計算機會一本本地搜索，而量子計算機則分身為800萬台計算機同步搜尋(下圖 SceienceAdvances)。孰優孰劣一目了然。當然，實際運作並非如此簡單粗暴。
量子計算機將在多個領域得到實際應用，從國防到氣候變化建模，再到藥物開發等等。量子計算機將提供一種全新的科技手段，引領生物醫藥、化工能源、藥物研發、新型材料研究、新型半導體開發、數字安全領域，AI、大數據等領域的革命性變化。波士頓管理谘詢公司預計：在大型穩定的量子計算機及新的財務算法支持下，其旗下管理的資產到2050年時的整體年度收益最少提升4500億美元，最高提升8500億美元。量子計算機這種相較於經典計算機的碾壓式優越性，讓包括美、中在內的世界各國全力以赴地追逐量子霸權(下圖 Google Images)：量子霸權的實現和實用化將有助於一國在新一輪技術革命中的地位與國運。
量子計算瓶頸
理想雖豐滿，但現實很骨感。雖然量子計算機前景看好，它離商用卻還相距甚遠，因為人類現在尚不能造出一台大型穩定的量子計算機。量子計算機研發仍麵臨一些瓶頸，其中之一便是可製備的比特數量。研究人員使用量子糾纏來獲取信息。在量子糾纏中，粒子被連接在一起，測量其中一個粒子的屬性便可以直接揭示另一個粒子的相關信息，而不管這兩個粒子相距多遠。但是，如何進一步高效地擴展糾纏的量子比特數目並讓其維持這種糾纏狀態，是量子技術研究領域遭遇的嚴峻挑戰。
可延展性則是橫亙在實用量子技術前的另一道坎: 可延展性是衡量係統響應應用程序和係統處理需求的變化而提高或降低性能和成本的能力。例如，當用戶數量增加時，硬件係統的性能如何，數據庫如何承受不斷增長的查詢數量，或者操作係統在不同類型的硬件上的性能如何，這些都是量子技術尚待解決的問題。
再就是量子相幹時間(下圖 jqi)。量子相幹時間指量子比特能夠維持量子態的時間長度。其維持“疊加態”(量子比特同時代表1和0) 時間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進行的計算就越複雜。而當量子比特失去相幹性時，信息就會丟失。此過程稱為退相幹，最終會限製計算機的運行時間。超導量子比特是當今主要的量子比特模態，已經在完整性這一關鍵指標上取得了指數級的提升，1999 年時它的持續運行時間還不到一納秒，2020年底時性能最好的設備已經達到了約 200 微秒。麻省理工學院林肯實驗室（MIT Lincoln Laboratory）和太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，簡稱 PNNL）的研究人員在一篇2020年8月發表在《自然》(Nature) 的論文中說，混凝土牆體中微量元素釋放的低水平但無害的背景輻射，以及進入地球的宇宙射線，皆足以引發量子比特的退相幹。他們還發現，如果置之不理，這一現象將會將量子比特的性能限製在僅僅數毫秒。這些幹擾，在量子世界中被稱為“噪聲”，包括振動、輻射、電磁波或溫度的微小變化。任何一種“噪聲”都會影響到量子比特的疊加態。加入的量子比特位越多，“噪聲”就有可能越大，從而引發更多的退相幹。問題是為了讓量子計算機能夠擴展到應用功能，需要大量的量子比特 – 當今最強大的量子計算機隻有不到100個量子比特，據預測，可實際用於藥物開發的量子計算機，需要數百萬個量子比特。最新消息，清華大學交叉信息研究院金奇奐研究組近日首次在離子阱係統中實現了超過一個小時的單量子比特相幹時間，刷新了此前660秒的紀錄。公布該成果的研究論文（Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour）於今年1月11日在線刊發於《自然·通訊》(nature communications)。
在軟件方麵，也還麵臨將一個問題化解成具體操作的量子計算機算法問題。量子計算的邏輯與經典計算有很大不同，需要軟件編程者和應用開發者具備量子計算的思維和工程適配能力，從而使量子軟件開發頗具挑戰性。目前能實現的算法包括“分解質因數、” “量子搜索、” “玻色取樣、”和“隨機量子線路采樣。”
因為量子比特數決定單次運算的數據量大小，相幹時間決定維持高性能計算的時長，量子算法決定了量子計算機解決問題的範圍。顯然，量子計算機仍然需要在量子比特製備、相幹時間長度、和合適的量子計算機算法等硬軟件方麵繼續有所突破，以及新材料在量子計算硬件上的創新，才有望最終實現商用。無疑，量子計算機的商用仍然任重道遠。
量子霸權領先者
雖然加拿大D-Wave公司已率先製成並銷售量子計算機，但量子霸權的真正玩家是美國和中國大陸。兩國主要的競爭是在量子計算方麵。因為量子通信方麵，大陸因其墨子號量子衛星(下圖 thehackernews) 的發射試用而一騎絕塵，獨步江湖。當然，也需要指出美國因實用性及輕重緩急原因而專注於量子計算，在量子通信方麵著力不多。
在量子計算方麵，美國處於世界領先地位。專利情況：擁有最多量子計算發明專利的係加拿大企業D-Wave，而美國的企業數量占絕對優勢。截至2019年9月30日，全球量子計算技術發明專利前20企業中，美國企業占比接近50%，遠超第二名日本15%，中國企業本源量子在該榜單中位列第12名(下圖 Google Images)。IBM, Microsoft, Intel, Google 等美國科技巨頭占據榜單的一半以上。
論文情況：據中國信息通信研究院2019年10月統計 ，從發表論文數量的機構來源看，科技巨頭同樣占據優勢。過去5年量子計算論文主要機構前三甲中有兩家是科技巨頭 - IBM和Microsoft分別奪得第一和第三，MIT作為論文數量最多的高校位於第二。近五年來排名前 20 的機構中，中國大陸占據 3 席，分別是中國科學院、中國科學技術大學和清華大學。其中，中國科學院的發文量持續快速上升，過去一年的新增論文數量僅次於美國 MIT和荷蘭 TU Delft。此外，德國 ETH Zurich、 Max Planck Society、加拿大Waterloo 大學、蒙特利爾大學、日本東京大學也是重要的創新主體。
技術路徑
目前至少有五種研發量子計算的技術路徑(下圖 analyticsindiamag)：1. 穀歌，IBM和Rigetti(美)的超導量子比特技術；2. 中國大陸和PsiQuantum(美)的光子量子比特技術；3. 離子Q(美)和霍尼韋爾(美)的俘獲離子量子位技術；4. 哈佛大學Mikhail Lukin小組的中性原子量子位(Neutral atom qubits)技術；和5. 澳大利亞的一個小組在做的矽量子比特(silicon qubits) 技術。此外還有微軟正在做的拓撲量子比特。
就具體量子計算機而言，穀歌“懸鈴木”走的是超導量子比特技術路徑，目前能做“隨機量子線路采樣。”超導量子計算是基於超導電路的量子計算方案，核心器件為超導約瑟夫森結(Josephson Junction)。超導量子比特可控性強、拓展性良好、超導量子電路在設計、製備和測量等方麵可依托現有成熟的集成電路工藝，係目前最有希望實現通用量子計算的實現方法之一。但超導量子計算對運行條件要求高，必須全程保持在-273.12℃(30mK)的超低溫環境。
大陸的“九章”走的是光量子比特技術路徑，目前能做“高斯玻色取樣”這一特定任務。光量子比特技術是利用激光激發量子點產生單光子，通過開關分成多路，再通過光纖導入主體設備光學量子網絡，最後利用單管子探測器探測結果。光量子技術具有量子比特相幹時間長、操控簡單、可在常溫下運行，與光纖和集成光學技術相容，拓展性好。但其劣勢明顯--很難小型化，量子比特之間邏輯操作困難，無法編程。由此，光量子技術難以發展為通用量子計算機。
美國也有做類似“九章”的光子量子計算機的，但不及“九章”。同樣，大陸也有做類似“懸鈴木”的超導量子計算機的，也與“懸鈴木”有距離。據大陸中國科技大學的潘建偉院士在西湖大學公開課上的演講中透露，他的一個團隊正在開展與穀歌“懸鈴木”同樣技術路的60個超導比特的量子相幹控製。
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未完待續
參考資料
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“讚！明白人！潘就是一個搞量子忽悠的富豪院士。”
“量子通信是忽悠，量子衛星是笑話。那個潘建偉十幾年來一直在用那幾十片偏振光片在忽悠，真是”一騎絕塵，獨步江湖“”
讚！明白人！潘就是一個搞量子忽悠的富豪院士。
“文章中在“量子霸權”邊注釋了一下“quantum supremacy”。
美國的科學文獻上出現“quantum"從未出現過用中文字注釋”量子“。
所有的科學數學工程詞匯都是如此. 這就是supremacy。”
"謝謝！"
美國的科學文獻上出現“quantum"從未出現過用中文字注釋”量子“。
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