“量子霸權(quán)”是什么霸權(quán)？

古月一刀

2019年10月23日，谷歌公司提供的“西克莫”處理器圖片。該處理器利用量子疊加和量子糾纏使計(jì)算空間指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)

“1萬(wàn)年的工作，200秒就被做完”是什么概念？

這就好比，人類社會(huì)2000多年公元史，抽根煙的功夫就過(guò)去了。擱在過(guò)去，如果有人公開(kāi)這樣說(shuō)，可能會(huì)被當(dāng)成瘋子。

然而，就在2019年10月，真的有人公開(kāi)這樣說(shuō)了，而且他還來(lái)自有“最偉大公司”之稱的谷歌。

不出所料，業(yè)界引起了一波“強(qiáng)震”。有人拍手叫好，感嘆科技革命來(lái)了。有人心生疑惑，質(zhì)疑是否噱頭。但不可否認(rèn)的是，谷歌人的這波操作，把有關(guān)計(jì)算機(jī)的未來(lái)形態(tài)方面的討論，大大方方地?cái)[在了人們的面前。

量子計(jì)算

谷歌人是在《自然》雜志上發(fā)起這一討論的。

10月23日，谷歌的工程師發(fā)表了一篇論文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》，表示開(kāi)發(fā)的53位量子計(jì)算機(jī)Sycamore，在200秒內(nèi)完成了Summit（世界上最快超級(jí)計(jì)算機(jī)）需要花1萬(wàn)年時(shí)間才能搞定的特定問(wèn)題計(jì)算。谷歌聲稱，通過(guò)這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)（Quantum Supremacy）。

量子計(jì)算機(jī)至少需要49個(gè)量子比特，才能達(dá)成“霸權(quán)”目標(biāo)。

等等，這段話的信息量有點(diǎn)多，我們來(lái)梳理一下。

先從常見(jiàn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)始。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，相比于我們使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)，超級(jí)計(jì)算機(jī)就是能執(zhí)行一般個(gè)人電腦所無(wú)法處理的運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。

中國(guó)也曾研發(fā)出世界第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”，但之后接連被美國(guó)的Sierra和Summit超越。在超算領(lǐng)域，中美日歐是頭部玩家;超算500強(qiáng)中，中國(guó)占了四成，美國(guó)占了兩成。

下一個(gè)問(wèn)題，被稱為“次世代計(jì)算機(jī)”的量子計(jì)算機(jī)是什么？

谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊在美國(guó)加州圣芭芭拉實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)谷歌量子計(jì)算機(jī)旁

首先我們要明確的一點(diǎn)是，無(wú)論是經(jīng)典計(jì)算機(jī)還是量子計(jì)算機(jī)，都是用0和1二進(jìn)制序列保存數(shù)據(jù)的。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，0和1由不同的電壓實(shí)現(xiàn)，0代表低電壓信號(hào)，1代表高電壓信號(hào)，二進(jìn)制序列由一個(gè)高低電壓交錯(cuò)的脈沖實(shí)現(xiàn)。

在經(jīng)典世界中，我們只能同時(shí)擁有一個(gè)狀態(tài)。如果擁有了001態(tài)，我們就不能同時(shí)擁有010態(tài)。但在量子世界中，我們可以得到疊加態(tài)。與經(jīng)典算法不同，量子算法不用傳統(tǒng)的單線程計(jì)算，而可以并行計(jì)算。這就使得量子計(jì)算的效率大大提高了。

量子計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是一種可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。并行計(jì)算是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)算力突破的最大武器。1982年，由美國(guó)著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出的利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展中不斷得以驗(yàn)證。

看似爆炸性的新聞背后，實(shí)際上是人類長(zhǎng)期在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域不惜成本投入與研發(fā)的結(jié)果，直到今天谷歌公司真正實(shí)現(xiàn)算力突破，時(shí)光已經(jīng)走過(guò)了37年。這不是一個(gè)短暫的時(shí)段，也不是一家公司的豐功偉績(jī)，谷歌只是站在無(wú)數(shù)巨人的肩上，未來(lái)也同樣會(huì)成為其他人的墊腳石。

最后來(lái)談?wù)劻孔影詸?quán)。霸權(quán)聽(tīng)上去很唬人，其實(shí)也沒(méi)有那么可怕，比如把Supremacy翻譯成“優(yōu)勢(shì)”的時(shí)候。

它主要是指，在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)，比如美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤所說(shuō)的破解密碼—一天之內(nèi)破解原本幾萬(wàn)年才能破解的密碼，等等。

巨頭發(fā)難

一般觀點(diǎn)認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)至少需要49個(gè)量子比特，才能達(dá)成“霸權(quán)”目標(biāo)。

而這次谷歌的Sycamore由54個(gè)transmon量子比特的二維陣列組成。為了完全控制這個(gè)量子處理器，谷歌還精心設(shè)計(jì)了277個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

Sycamore使用鋁制造，芯片被引線連接到超導(dǎo)電路板上，并在稀釋制冷裝置中被冷卻至20mK以下。這一溫度只比絕對(duì)零度高2%度，之所以溫度要這么低，是為了將環(huán)境熱能降到大大低于量子勢(shì)能的程度，防止外界熱量干擾量子處理器。

竊聽(tīng)量子密鑰會(huì)造成量子態(tài)潰縮，從而使加密密鑰無(wú)法傳輸。

谷歌在《自然》雜志上這樣說(shuō)：“我們使用具有53個(gè)超導(dǎo)量子比特的可編程處理器，占用狀態(tài)空間為2^53≈10^16?！?/p>

53個(gè)量子比特?fù)碛惺裁礃拥乃懔?？?jù)悉其一共可以模擬1016種狀態(tài)，這是個(gè)早已超出當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的數(shù)字。

如此令人吃驚的成就被公之于眾，歡呼之后，接下來(lái)更多要接受公眾的打量與審視。

美國(guó)斯坦福大學(xué)量子物理學(xué)家帕特里克·海登坦言，谷歌的量子比特處理器可能具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，以至于傳統(tǒng)方法無(wú)法模擬。但這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)給出的答案，在傳統(tǒng)機(jī)器上是無(wú)法驗(yàn)證的，所以我們很難確定谷歌的設(shè)備是否做得正確。

“當(dāng)然，谷歌量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)是一群嚴(yán)肅的科學(xué)家，他們會(huì)盡其所能來(lái)確定這一點(diǎn)?！焙５茄a(bǔ)充道。

學(xué)者們的發(fā)言還算是客氣的，相較之下，谷歌在量子領(lǐng)域的主要對(duì)手IBM則“火力全開(kāi)”了。

IBM方面迅速寫了一篇論文《Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuits》，表示在超級(jí)計(jì)算機(jī)上僅需兩天半，就能完成谷歌在論文中所謂的1萬(wàn)年才能完成的計(jì)算。在未來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該是各有任務(wù)，而不是前者被“吊打出局”。

IBM這篇火速反擊的論文，結(jié)果只是估算出來(lái)的，并未有實(shí)際的測(cè)試，所以力度稍弱。退一步來(lái)說(shuō)，就算超級(jí)計(jì)算機(jī)只需兩天半，量子超算200秒的運(yùn)算速度也是領(lǐng)先幾個(gè)身位的存在。

當(dāng)然，“1萬(wàn)年對(duì)200秒”的對(duì)比實(shí)在是太過(guò)吸睛，IBM領(lǐng)頭后，一些業(yè)內(nèi)人士也開(kāi)始發(fā)聲質(zhì)疑谷歌。對(duì)此，谷歌首席執(zhí)行官桑德?tīng)枴てげ橐帘憩F(xiàn)得“云淡風(fēng)輕”。他說(shuō)：“首架飛機(jī)僅僅飛行了12秒鐘，所以沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。但這顯示出飛機(jī)是可以飛的?！?p>

世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit

作為行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)者，兩大巨頭的爭(zhēng)議孰是孰非，缺乏專業(yè)知識(shí)背景的一般讀者可能難以評(píng)判。但是拋開(kāi)技術(shù)爭(zhēng)議，量子計(jì)算相較于傳統(tǒng)計(jì)算所具有的顛覆性和革命意義，展示出人類突破計(jì)算處理極限的令人振奮的前景，這一點(diǎn)沒(méi)有人否認(rèn)。

從這個(gè)意義上講，谷歌的一小步，配得上“人類的一大步”。

“矛”“盾”之爭(zhēng)

超算領(lǐng)域，中美兩強(qiáng)爭(zhēng)霸，一個(gè)最多，一個(gè)最快，可謂是針鋒相對(duì)，旗鼓相當(dāng)。到了量子計(jì)算領(lǐng)域，美國(guó)取得了巨大突破，中國(guó)呢？

有人說(shuō)，中國(guó)的突破更加實(shí)用，不信你看看民間“量子波動(dòng)速讀”“量子治痛經(jīng)”“量子水杯”……發(fā)展得多么如火如荼啊。

“量子速讀”騙局的曝光時(shí)間點(diǎn)，恰好撞上了谷歌的突破，這一點(diǎn)不免讓國(guó)人尷尬自嘲。但說(shuō)實(shí)話，我們也不必太過(guò)在意。如同當(dāng)年橫空出世的“納米”概念一樣，當(dāng)時(shí)中國(guó)市場(chǎng)也出現(xiàn)了無(wú)數(shù)“納米”保健產(chǎn)品。并非中國(guó)量子科研領(lǐng)域不強(qiáng)，這只是騙子們改頭換面，再次借了一個(gè)流行概念行騙罷了。只要消費(fèi)者平時(shí)多讀新聞，自然不會(huì)被收“智商稅”。

中國(guó)研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”

在谷歌人的量子計(jì)算機(jī)論文發(fā)表之前，中國(guó)的量子科學(xué)一直在穩(wěn)步前行。一方面，量子技術(shù)在理論上是被證實(shí)的，業(yè)界預(yù)言它會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域建立全方位的科技優(yōu)勢(shì)。但另一方面，總有一些不懷好意的人打著科研的旗號(hào)，在市場(chǎng)渾水摸魚，騙取國(guó)家經(jīng)費(fèi)。這樣的事件，在中國(guó)發(fā)生的已不在少數(shù)。

對(duì)于這種前瞻性強(qiáng)、同時(shí)實(shí)用性有部分爭(zhēng)議的技術(shù)，中國(guó)應(yīng)用得非常謹(jǐn)慎。

如今的量子領(lǐng)域，在量子計(jì)算機(jī)方面，美國(guó)處于領(lǐng)跑狀態(tài)是毋庸置疑的。早在兩年前，IBM就發(fā)布了50比特量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。隨后的2018年，英特爾發(fā)布49比特量子芯片，谷歌推出了一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone。

但在量子通訊方面，中國(guó)則不甘落后。量子通訊的理論基石是“量子退相干”理論，具體可以解釋為：竊聽(tīng)量子密鑰會(huì)造成量子態(tài)潰縮，從而使加密密鑰無(wú)法傳輸，那么加密方就能發(fā)現(xiàn)有第三者窺探，可立即終止信號(hào)傳輸。

2016年，中國(guó)研制的世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射，并首次成功實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)的星地雙向量子通信。這項(xiàng)技術(shù)據(jù)稱領(lǐng)先國(guó)際相關(guān)技術(shù)水平至少5年。當(dāng)下，中國(guó)量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專利應(yīng)用排名第二。

有人這樣評(píng)價(jià)，量子計(jì)算領(lǐng)域比較有“進(jìn)攻性”，如同一支矛。而量子通訊更貼近防守，像一面盾。中美兩國(guó)現(xiàn)在的科研情況，如同“矛”“盾”，各有進(jìn)攻和防守。

但在“算力即權(quán)力”的信息社會(huì)，誰(shuí)的計(jì)算能力更強(qiáng)，誰(shuí)就會(huì)掌握量子霸權(quán)，主導(dǎo)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展方向。從這個(gè)層面看，在中美頻繁交鋒的歷史節(jié)點(diǎn)，這是一場(chǎng)誰(shuí)都不愿輸?shù)舻谋荣悺?/p>

國(guó)內(nèi)的話，中國(guó)科技大學(xué)在量子領(lǐng)域的積累最為深厚。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算研究員黃浩亮日前受訪表示，量子計(jì)算在中國(guó)起步較晚，現(xiàn)在仍在努力趕超美國(guó)。但在明年年底，致力于50位量子計(jì)算技術(shù)的中國(guó)研究人員有望觸及“量子霸權(quán)”。

量子科學(xué)，也被稱為和平時(shí)代的“核力量”，在一個(gè)“算力為王”的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，量子計(jì)算技術(shù)一旦獲突破，掌握這種能力的國(guó)家，會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域崛起成為超級(jí)強(qiáng)國(guó)。在這種力量的威懾下，現(xiàn)在的銀行安全體系、互聯(lián)網(wǎng)賬號(hào)體系、各種加密通訊都形同虛設(shè)。

畢竟，沒(méi)有密碼可以經(jīng)得住“1萬(wàn)年運(yùn)算”的考驗(yàn)。