量子计算领域的全球竞争

尽管专家们去年就“量子效用”进行了讨论，以论证量子计算在某些应用领域的可能性，但最近的发展却助长了实现商业“量子优势”的炒作。这项利用量子力学解决计算问题的技术仍处于早期阶段。

量子计算机采用量子比特，利用叠加原理，使它们能够同时存在于两种状态。这为量子计算机在处理具有挑战性的工作时提供了指数级的速度优势，使它们能够解决以前被认为不可能解决的问题。

量子计算的起源可以追溯到物理学家理查德·费曼1981 年的开创性想法。费曼了解传统计算机在模拟量子领域的局限性，因此提出了一个革命性的想法：制造一台按照最基本的宇宙法则运行的计算机。他的想法引发了使用量子力学进行计算的探索——这一旅程仍在继续。

当量子计算机能够完成一项甚至最强大的超级计算机都几乎不可能完成的任务时，这就被称为“量子霸权”，也称为“量子优势”。这一成就一直是量子计算的一个关键目标，过去几年来，许多参与者声称已经实现了这一目标。

一个著名的例子是谷歌的 Sycamore 处理器，它在 2019 年通过进行随机电路采样实验展示了其能力。谷歌声称，这项实验包括使用随机量子门来创建和测量量子态，这对于经典系统来说是难以解决的，代表着向量子霸权迈出了重大一步。

谷歌改进了错误纠正功能

谷歌最近推出了其最新的量子处理器 Willow，以与英特尔展开竞争。Willow 拥有 105 个量子比特，并声称展示了量子纠错方面的突破。凭借这一进步，Willow 可以在规模扩大的同时成倍地减少错误，从而解决了业界数十年来一直存在的难题。

Willow 的性能是使用随机电路采样基准进行评估的。测试表明，它可以在五分钟内完成计算，而世界上最快的超级计算机之一估计需要 100 亿年才能完成。这种性能差异表明量子计算有潜力大大超越传统计算机。

中国引领量子计算的努力

凭借祖冲之系列超导量子计算机，中国已成为量子竞赛的主要竞争对手，挑战谷歌的霸主地位。最新版本祖冲之 3.0拥有 105 个量子比特，保真度极高。

祖冲之3.0还利用83量子比特、32周期随机电路进行了随机电路采样实验，在几秒内产生了一百万个样本。凭借这一成就，祖冲之3.0与谷歌的Willow一起取得了量子计算优势。

IBM 及其量子计算混合方法

在首届 IBM 量子开发者大会上，IBM研究人员宣布，他们成功交付了一台量子计算机，该计算机能够运行多达 5,000 个双量子位门操作的量子电路，该计算机由 IBM Quantum Heron 的第二个修订版提供支持。

IBM 预测，未来超级计算将以量子为中心，量子计算机将充当混合计算模型中的专用加速器。这一战略认识到量子计算机最适合特定任务，并增强了传统计算机的功能。

IBM 量子路线图。（来源：IBM Press）

IBM 研究人员Ryan Mandelbaum 和 Iskandar Sitdikov表示：“我们希望量子处理单元能够作为高性能计算机的加速器，作为异构计算模型的一部分，协助 CPU 和 GPU 解决一些具有挑战性的问题。”

这种协作方法结合了两全其美的方面，利用量子计算机解决特定的计算瓶颈，同时依靠经典计算机的更通用的功能。

量子计算面临的问题之一是单个量子处理器中可用的量子比特数量较少。为了解决这个问题，IBM 研究人员正在研究一种称为电路切割的方法。这种方法需要将大型量子电路分解为较小的子电路，这些子电路可以在单独的量子处理单元上执行，然后使用经典计算将结果组合起来。

通过采用这种方法，研究人员实际上可以执行比任何单个 QPU 容量更大的电路。IBM 已通过连接两个 127 量子比特 Eagle 处理器并成功创建最多 142 个量子比特的量子态展示了这种方法。

难以实现量子优势

尽管取得了重大进展，但通往真正有价值且可扩展的量子计算机的道路仍然困难重重。量子比特天生对干扰敏感，导致计算错误。在增加量子比特数量的同时保持量子比特的稳定性和保真度仍然是一个重大障碍。此外，创建实用的量子算法需要彻底掌握量子力学和计算机科学——这是一项高度专业化的技能。

Nvidia 的黄仁勋认为量子计算还需要几年的时间

虽然量子计算的潜力不可否认，但 Nvidia 首席执行官黄仁勋等行业领袖警告称，实际应用仍需数年时间。黄仁勋认为，“非常有用的量子计算机”至少还需要 15 到 20 年的时间。

“因此，如果你说 15 年后会出现非常有用的量子计算机，那可能还为时过早。如果你说 30 年，那可能还为时过晚。但如果你说 20 年，我想我们很多人都会相信，”黄仁勋告诉分析师。

其他专家也持这种谨慎态度，强调在量子计算充分发挥其潜力之前持续研究和开发的重要性。

全球合作至关重要

量子计算的复杂性和问题需要合作解决。谷歌研究人员强调：“完善量子计算机是一项大胆、雄心勃勃且涉及多方面的项目，任何公司或国家都无法独自完成。”

就像人类登月竞赛或对人类基因组中所有基因进行测序一样，量子计算的成功和安全开发不可能仅靠科学家一己之力。它需要几代公共和私人机构投入大量资源和人才，以及富有远见的国际外交。

国际合作、信息共享和全球量子生态系统的发展对于推动该领域的发展至关重要。

量子计算的潜力

虽然实际时间表尚不清楚，但量子计算具有变革性的潜力。随着该学科的发展，我们可能期待在医学和药物发现、材料科学、网络安全和人工智能等各个领域取得突破。

量子革命不仅仅是一次技术飞跃，更是计算和解决问题方法的根本性变革。虽然很难想象在未来几年内实现完全的量子霸权，但人工智能的进步需要比当今传统计算机所能提供的更多的计算能力。