谷歌“量子霸权”论文引争议，为何各国要斥巨资发展量子科技？_风闻

谷歌的Sycamore量子处理器

上月，谷歌在《自然》杂志上以封面文章的形式发表了一篇论文，文中声称他们的53位量子计算机（名为Sycamore）花了200秒来完成了一项传统超级计算机需要花1万年才能完成的任务，首次实现了“量子霸权”。

该新闻随即被全球各大媒体争相报道，作为谷歌在量子计算领域的头号对手IBM坐不住了，憋了一个月，在 arXiv 上以论文的形式反驳了该说法，指出谷歌的实验室存在缺陷，并通过自家的模拟方法估算出经典超级计算机上模拟谷歌的量子电路只需要两天半。

《论量子霸权》来源：IBM官网

每当与量子计算机有关的新闻出现时，业界和媒体总能为之兴奋好一阵，但归根结底，距离吃瓜群众最关心的实际应用还有几十年的路要走。

那么，“量子霸权”究竟是什么？

为何这场量子技术竞赛如此激烈，从美国到中国，以及世界上最大的企业和机构，包括谷歌、IBM、美国宇航局（NASA）、微软、洛克希德马丁和阿里巴巴在内，都参与其中？

本文将从量子计算说起，为你科普“量子争霸”这场不见硝烟的竞赛，以及中国在这场全球竞争中所处的位置。

量子计算和量子霸权

量子计算机用的不是比特——不是0就是1——而是量子比特，能以0和1的叠加态存在。这就意味着，相较于传统计算机，它们能存储更多信息，且消耗更少的电量。这样一来，那些让普通机器头疼的复杂计算，比如特定化学反应的模拟、质数的计算，或是复杂加密的破解等具有重大经济和社会价值的问题，量子计算机都可以为此作出贡献。

比如说高温超导，我们现在对高温超导的机制还搞不明白，一旦我们能够把这个机制搞清楚，我们就可以把它用来指导、设计超导的一些新材料，这样就可以解决很多的能源问题。

再比如高效的氮固化。我们很多人都在小学课本里学过，大豆的根瘤菌可以把空气里面的氮气转化成氮肥。但是这么一个量子化学的过程，我们现在是没有办法把它给计算清楚的。目前我们要耗用全世界10%的电量来制造氮肥。如果可以用量子计算机把这个问题解释清楚的话，就可以省下这巨大的能耗。

由于量子计算机“至今”还未真正展现出超越传统计算机的关键优势，因而它的实际应用还停留在理论阶段，这一重大转折点也被称为“量子霸权”。其中，一个常被当作量子霸权的重要指标是量子比特**(Qubit)**数量，有学者认为，大概 50 个量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”。

中国科技大学上海研究院教授陆朝阳在造就的演讲《量子信息时代，中国要弯道超车》

大力投资“超级工程”

随着量子技术的进步，最严密的加密形式都可能被破解，计算能力也会实现飞跃，潜在的政治与经济影响不容小觑。当前保护金融数据和军事机密的加密手段，在量子计算面前或许不堪一击。

2016年8月，中国的“墨子号”作为世界首颗量子卫星从戈壁发射升空，在距地500公里处绕地飞行。

2017年，中国和奥地利科学家利用“墨子号”卫星，进行了一次量子加密的视频通话。

中国研究人员就是想通过“墨子号”，利用一种不同于以往的量子技术，开发出无法被破解的新型保密通信。“墨子号”被用于共享密钥，而这些密钥，则是加密和解密通信技术的关键。

通常，这些密钥容易被劫持，但“墨子号”利用了处于量子叠加态的光子——要么不破译，一旦破译，原信息就会被破坏。所以，以这种方式发送出去的密钥，是无法被复制或劫持的。

而在量子计算这个历来由欧美主导的领域中，中国正奋力追赶。

中国政府将量子技术作为一项“超级工程”的重点，力争在量子通信和量子计算领域取得重大突破。据报道，中国将投资100亿美元，在合肥建立量子信息科学国家实验室。

“近五年来，中国对量子技术进行了大力投资。”兰卡斯特大学量子技术中心主任罗伯特·扬（Robert Young）表示，“中国已经进入了领先地位，而且速度比较快。”罗伯特·扬同时还是中国电子科技大学基础与前沿研究院的客座教授。

不光是量子科学领域，在人工智能领域，中国的投资力度也丝毫不减。在一定程度上，这都是为了在未来几十年引领科技进步。“中国基本错过了数字革命，这给中国和中国经济拖了后腿。”罗伯特·扬表示，“中国不想再错失良机了。”

潘建伟也认同这一观点。“在现代信息科学方面，中国一直是学习者和模仿者。”他说，“现在，在量子技术领域，若能竭尽全力，我们有望成为主要玩家。”

潘建伟

从量子保密通信到量子计算

一开始，中国的进展主要都在量子保密通信领域——比如“墨子号”这样的项目，以及山东省的地面量子网络。“在量子通信领域，我们领先于世界同行。”潘建伟说。

但在量子计算领域，局面就没那么明晰了。构建量子计算机的难度非常大，哪怕是最细微的环境干扰，都可能破坏量子比特的叠加态。而要绘制复杂的概率路径，这种叠加态不可或缺。

量子计算机要被防护得严严实实才行，而且，构建它们所需的技术，大多都需要一个接近绝对零度的环境。目前，最先进的量子计算机——谷歌、IBM和D-Wave等企业正在研发的那些——还未迈过100量子比特的大关，而且由于“量子比特哑火”现象的存在，错误率或高达50%。“只要越过100量子比特关卡，事情就会变得有趣；但可能得突破1000量子比特，才会真正让人兴奋。”罗伯特·扬表示。

美国企业称，未来五至十年，它们就可以研发出可运转的量子计算机。但中国的估计更为保守。“我们必须解决那些根本性的问题。”潘建伟说，“依我看，估计还要二三十年。”

一些中国企业，比如腾讯、阿里巴巴和百度也加入了量子竞赛，但略微晚了些。“几年前，要说服中国电商投资这类研究，难度还是很大的。”潘建伟说，“但在谷歌、IBM、英特尔和微软等公司的影响下，如今，这些中国电商都有了自己的量子技术项目。”

若论量子处理器包含的量子比特数，中国还不是美国的对手。不过去年，中国科学家创下了一项世界纪录：实现了18个量子比特的纠缠。这种纠缠是一种相互联结的状态，是量子计算中必不可少的一环。

这跟大体的技术发展规律相符。“并没有证据表明，中国在生成量子的方式上有什么新的突破——那属于最根本的基础科学，实现方式就那么几种。”Patinformatics董事总经理托尼·特莱普（Tony Trippe）说，“过去四年里，中国对专利的主导，主要是在应用方面。”

尽管中国在量子硬件的构建方面处于落后地位，但在量子计算机问世后的实际应用方面，中国一直在进步。据罗伯特·扬所言，至于前景最光明的用途是什么，现在并不清楚——量子计算的一些潜在用途，我们现在也许都不曾想到。不过，个人电脑或是笔记本电脑不太可能装上量子芯片——我们也许会通过云端，访问一台中央量子计算机。其实，IBM已经在提供这样的服务。

在量子计算的下一个阶段，中国的财力有望发挥关键作用。“要想在中国营造一个量子环境，财力非常关键。”牛津大学量子力学教授阿图尔·埃克特（Artur

Ekert）说，“墨子号”背后的理论就是他提出的。“打个比方，光是发明电话是不够的——光你一个人有电话，你打给谁？你得有整套基础设施、整个金字塔，你不能只有一帮物理学怪才，还要有量子工程师、计算机科学家、加密学家，以及推销的好手。”

埃克特将中国的做法比作NASA的阿波罗登月计划。“具体哪种量子技术最好用——是超导环路、囚禁离子，还是别的什么——我们不清楚。”他说。你要把很多不同领域的专家聚到同一个屋檐下才行。

要竞争，也要协作

我们很容易将量子计算和加密技术的发展视为零和游戏，但事实并不是如此。

潘建伟在这项技术上的基础是在欧洲打下的。中国研究人员也在与奥地利同行密切合作，研发“墨子号”等技术。

但随着量子技术从学术界转移到应用领域，这种态度或许会略有转变。“放在五年前，我会说，这是协作性的；但这五年里，出现了些许泡沫。”埃克特说。

网络安全专家们时时恐惧着“Q日”（量子日）的到来——那一天，首台量子计算机诞生于世，它足以破解当代绝大多数的加密标准。如果某个国家率先实现，问题就会产生——所谓“量子惊诧”，说的就是某个国家发展出一种全新的量子技术，让别国措手不及。

“适当程度的担忧还是有必要的。”埃克特说，“量子领域实在是太重要了，绝不能让世界某个区域遥遥领先。”但对罗伯特·扬而言，量子领域的挑战是如此复杂、且耗时耗力，任何国家都难以捷足先登。“我想，这年头，要保密是很难办到的。”

在这个领域，不同的研究团队尝试着各种不同的方法，各国将资源投入各式各样的项目。2016年，中国政府将量子技术置于第十三个“五年规划”的核心，自此，欧洲和美国也纷纷投资起了自己的项目。

欧盟将向量子技术旗舰计划（Quantum Technologies Flagship）投资10亿欧元，该计划已于2018年11月初启动。美国也组建了一支跨党派团队，致力于推动立法，欲投资12.5亿美元用于量子研发。

中国正着眼于构建多卫星量子网络，及一台量子模拟器，用以破解科学难题。在美国，科技巨头们聚焦于提升处理器的量子比特数，同时降低量子计算机的错误率。在量子算法领域，英国是目前的领头羊。

“真正激动人心的，以及中国投资于此的原因，是他们不知道潜力有多大。”罗伯特·扬表示，“这显然会是下一项革命性的技术，显然会有一大批有趣的设备出现，而他们所投资的，正是这种潜力。”

毋庸置疑，大量的投资使中国处在了有利地位，至于哪种量子技术会奏效，这种技术会带来怎样的结果，目前没人清楚——最大的突破可能来自合肥的100亿美元量子枢纽，也可能来自一个相对较小的投资项目。

但量子技术要成为真正的革命性技术，全球协作必不可少。“仅凭一国之力是发展不出量子技术的。”潘建伟说，“我们可以开展一场竞赛，但相互交流与协作不可或缺。”

互动话题：你认为量子霸权意味着什么？