量子霸权实现了吗？谷歌的一万年太久，IBM的只争朝夕，和中国的百舸争流_风闻

导读

谷歌：量子计算机的200秒相当于传统计算机的一万年。IBM：改进一下算法，就能把传统计算机花费的时间缩短到两天半。科大：对于玻色子取样，我也快实现量子霸权了。所以现在是：谷歌说：“一万年太久！”IBM说：“只争朝夕！”中国说：“水能载舟，亦可赛艇！”

最近，关于“量子霸权”的新闻出现了白热化的场面：谷歌宣称自己实现了量子霸权，而IBM对此表示否定。这是怎么回事呢？

只要理解了“量子霸权”的背景知识，就不难明白了。背景知识见我不久前的文章（“量子霸权”新闻的正确打开方式 | 袁岚峰）和视频（【科技袁人】谷歌实现“量子霸权”，中国落后了多少？）。基本的要点是：

量子霸权的意思是，量子计算机在解决特定问题上远远超过现有的计算机。

量子计算机可以远远超过传统计算机，是因为它们的基本原理不一样。传统计算机的基本单元是比特，即一个体系有且仅有两个可能的状态，好比一个开关。而量子计算机的基本单元是量子比特，它好比一个旋钮。

一个比特只有两个状态，一个量子比特却有无穷多个状态。因此，量子计算机有可能做到传统计算机做不到的事。特别值得注意的是，量子计算机并不是干什么都特别快，而是只对于某些特定的问题才特别快。

量子计算是当今最热的研究领域之一，各国的政府和企业都在大量地投资。谷歌和IBM是两个领头羊，因此双方激烈碰撞很正常。

那么，谷歌这个成果到底是什么呢？

按照2019年10月23日谷歌在《自然》杂志的论文（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5）宣称的，是第一次对某个问题，量子计算机超越了目前最强的超级计算机。

这个问题是什么呢？

谷歌造了一个包含53个量子比特的芯片，对这些量子比特进行随机的操作，会产生各种由0和1组成的字符串，总共有2的53次方个。由于这些量子比特之间的纠缠，其中一些字符串出现的概率应该比另一些大。要处理的问题，就是检验是不是真的出现这样的分布。

谷歌论文图1对量子计算机结构的演示

很容易理解，这个任务天生就适合量子计算机，不适合传统计算机，好比在打擂台时挑了一个对某一方最有利的场地。你如果愿意的话，当然可以说它胜之不武。而且，这个问题目前也没有实用价值。但无论如何，能够实现量子计算机超越超级计算机的演示，意义总是重大的，就像莱特兄弟的飞机首飞（https://www.nature.com/articles/d41586-019-03173-4）。

具体而言，这台量子计算机花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而现有的最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。200秒对一万年，如果这是双方的最佳表现，那么确实是压倒性的优势。

谷歌论文图4对量子霸权的演示，注意最右边黑色箭头上方的一万年与中缝中的200秒的对比

现在问题来了。IBM跳出来说（https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf），传统计算机并没有谷歌认为的这么弱，——我还能抢救一下！IBM给出了一个改进的算法，一下子把传统计算机花费的时间从一万年缩短到了两天半。

我觉得还可以再抢救一下

所以开玩笑地说，现在的局面是这样：

谷歌说：“一万年太久！”

IBM说：“只争朝夕！”

双方在这一点上掐得你死我活。

两天半虽然还是比200秒长很多，但毕竟是可以实现的了。这样一来，就大大冲淡了谷歌成果的意义。

IBM为什么能改进传统算法呢？因为谷歌的算法只用到了内存，IBM指出：别忘了世界上有个东西叫做“硬盘”啊！把一部分数据放到硬盘上，通过适当的任务划分，就可以用空间换时间。

这实在是个很简单的思路，一说出来大家都能理解。因此，谷歌免不了“故意放水”的嫌疑。

不过话说回来，按照量子霸权这个词原来的定义，只要超过传统计算机就行，那么200秒对2.5天也算是霸权了。原来谷歌还希望把传统计算机打到算不动，这个目标现在被IBM的反对推迟了。

我反对这门亲事！（电影《大话西游》）

当然，传统计算机的算法还可以进一步优化，比如说降到1小时也不奇怪。不过同时量子计算机也在进步，所以在这个问题上，传统计算机赶上量子计算机仍然是不太可能的事。

还有人会问：可以把地球看作一台预测地震的计算机，计算的结果就是震给你看，那么谷歌这台量子计算机跟“地球计算机”有什么区别？

回答是：在正常的语境下，人们不会把一个体系的自然演化当作一台计算机。不过确实有一种实验是观察一个量子体系的演化，目标是用它来模拟另一个体系。这种实验叫做量子仿真，可以非常高效，但只能干这一件事，所以也被称为专用的量子计算机。谷歌这台量子计算机是一台通用的量子计算机，在原则上可以干任何事情，也就是说，它是可以编程的。专用的量子计算机超过传统计算机，是早就有的，不足为奇。现在大家关心的，是通用的量子计算机能不能超过传统计算机。

最后，在《自然》杂志发表谷歌论文的前一天（2019年10月22日），中国科学技术大学的潘建伟和陆朝阳等人在论文预印本网站arXiv上传了一篇文章  《用20个输入光子在60模干涉仪中实现10的14次方态空间的玻色子取样》（“Boson sampling with 20 input  photons in 60-mode interferometers at 1014 state spaces”，链接https://arxiv.org/abs/1910.09930）。这个工作也是在对某个特定问题寻求实现量子霸权，这个问题叫做“玻色子取样”。

态空间的大小，就是总的状态的数量。谷歌论文中的态空间大小是2的53次方，约等于10的16次方，即一亿亿。潘建伟与陆朝阳等人论文中的态空间大小约为10的14次方，即一百万亿，比以前的同类实验增大了10个量级，但还不如谷歌的。因此目前他们还没有实现量子霸权，他们用光子做到的玻色子取样，用超级计算机可以在几个小时内完全检验。

在实现量子计算的道路上，我们需要探索所有可能的途径。无论是谷歌，还是IBM，还是科大，各个机构和国家的百舸争流，是这个领域蓬勃进步的最好景象！