谷歌实现“量子霸权”意味和不意味着什么

Google量子计算机

据外媒报道，谷歌首次证明了量子计算机能够在有限时间内完成一项即使是最强大的传统超级计算机也无法完成的任务——这是在计算机界被称为“量子霸权”的里程碑。

这个听起来不祥的术语是由理论物理学家约翰·普莱斯基尔(John Preskill)在2012年创造的，它让人联想起达斯·瓦德(Darth vader)式的机器凌驾于其他电脑之上的景象。达斯·瓦德是电影《星球大战》中的黑武士大师。这一消息已经引发了一些古怪的头条新闻，比如Infowars网站上的一条惊呼：谷歌的“量子霸权”使得所有密码和军事机密都是可以破解的。公众人物也陷入了表示担忧：美国总统候选人安德鲁•杨(Andrew Yang)在twitter上写道：“谷歌实现量子霸权是一件大事。这意味着，以后没有什么代码是不可破解的。”

无稽之谈。谷歌的成就是巨大的，但是量子计算机并没有突然变成计算巨人，使传统的计算机望尘莫及。在不久的将来，它们也不会对传统密码技术造成破坏。尽管从长远来看，它们可能构成我们现在就需要开始着手准备应对的威胁。

如下是一个关于谷歌究竟取得了什么成就的指南，以及对围绕量子霸权炒作的一剂解毒剂。

关于谷歌的实验我们知道什么？

谷歌还没有真正确认呢。有关该实验的信息来自一篇名为《利用可编程超导处理器的量子霸权》（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）的论文，该论文在NASA网站上发布，但很快就被撤下。英国《金融时报》的一篇报道揭示了它的存在。

这个实验相当神秘，而且需要进行的计算工作堪称巨大。谷歌的团队使用一个代号为Sycamore的量子处理器来证明随机数生成器输出的数字确实是随机的。然后，他们计算出世界上最强大的超级计算机Summit需要多长时间才能完成同样的任务。这种差异令人震惊：量子机器在200秒内就完成了它，而研究人员估计经典计算机需要1万年的时间。

当这篇论文正式发表时，其他研究人员可能会开始寻找其漏洞，但目前看来，谷歌在计算方面的得分似乎是第一，因为它表明量子机器确实可以超越当今最强大的超级计算机。量子硬件初创公司EeroQ的首席执行官尼克•法里纳(Nick Farina)表示：“量子计算机能够成为高性能计算的未来，这一点现在已经不那么令人怀疑了。”

为什么量子计算机比经典计算机快那么多？

在经典计算机中，携带信息的位要么表示1，要么表示0。但是，量子比特——以光子和电子等亚原子粒子的形式出现——可以同时处于1和0的组合状态，这种状态被称为“叠加”。与比特位不同，量子位元还可以通过一种被称为“纠缠”的现象相互影响，这种现象甚至让爱因斯坦也感到困惑，他称这种现象为“远距离的幽灵行为”。

由于这些特性，只要向量子计算机中添加几个额外的量子位元，系统的处理能力就会成倍地提高。更重要的是，量子计算机还可以并行处理大量数据，这有助于它们超过按顺序处理数据的传统计算机。理论上是这样的。在实践中，研究人员多年来一直在努力证明量子计算机可以做一些即使是最强大的传统计算机也做不到的事情。谷歌的工作由John Martinis领导，他在利用超导电路产生量子位元方面做了开创性的工作。

这一加速难道不意味着量子计算机现在可以超越其他计算机吗？

不。谷歌选择的是一个非常狭窄的任务。量子计算机要想在大多数情况下超越经典计算机还有很长的路要走，而且它们可能永远也达不到那个目标。但自从论文发表在网上以来，众多研究人员都表示，谷歌的实验仍然意义重大，因为长期以来，人们一直怀疑量子计算机能否在任一方面超越经典计算机。

到目前为止，研究小组已经能够在经典计算机上再现大约40个量子位元的量子计算机的结果。谷歌的Sycamore处理器利用53个量子位元进行实验，表明这种传统计算机的模拟已经达到极限。牛津大学的量子研究员西蒙•本杰明(Simon Benjamin)解释说，我们正在进入一个新的时代，即不再质疑量子计算机是否可行，而是开始探索量子计算机能做些什么。

安德鲁·杨不是说我们的密码防御系统现在可以被破解，这难道不是吗？

不会。那只是一种夸张的说法。谷歌的论文明确指出，尽管他们的团队已经能够在一个狭窄的采样任务中展示量子优势，但我们距离开发能够实现Shor算法的量子计算机还有很长的路要走。Shor算法是上世纪90年代开发的，用于帮助量子机器分解大量数字。当今最流行的加密方法只能通过分解这些数字来破解——而这一任务将花费传统机器数千年的时间。

但这种巨大的差距不应该成为自满的理由，因为像金融和健康记录这样的东西将被保存数十年，最终可能会成为黑客攻击的目标。研究人员已经在努力研究能够抵御这类攻击的新型加密方法。

为什么量子计算机不像“量子霸权”理论所说的那样高大上？

 

主要原因是，量子计算机仍然比经典计算机犯的错误更多。量子位元微妙的量子态目前只能持续不到一秒的时间，即使是最轻微的振动或温度的微小变化——用量子的话说，这种现象被称为“噪音”——也很容易改变量子态。而这会导致计算中出现错误。量子位元也有一种类似探探或陌陌的倾向，即想要与许多其他的量子位元配对。它们之间的这种“串扰”也可能产生错误。

谷歌的论文找到了一种减少噪音和串扰的新方法，这可能有助于为更可靠的量子计算机铺平道路。但是今天的量子计算机在硬件数量和复杂程度上仍然类似于1950年代早期的超级计算机，它们只能处理非常深奥狭窄的任务。目前甚至还没有达到相当于当时ENIAC的水平。ENIAC是IBM在1945年投入使用的第一台通用计算机。

那么下一个量子里程碑是什么呢？

在解决现实问题上超越传统计算机，这被一些研究人员称之为“量子优势”。希望量子计算机巨大的处理能力将有助于发现新的药物和材料，增强人工智能应用，并在金融服务、风险管理等其他领域取得进展。

如果研究人员在不能在至少其中之一的应用中证明量子优势，那么围绕量子计算而产生的过高预期泡沫可能很快就会破灭。

谷歌的马丁尼(Martinis)显然意识到了其中的风险。他说：“一旦我们达到量子霸权，我们就会想要证明量子计算机可以做一些真正有用的事情。”现在他的团队和其他研究人员就要开始迎接这个更紧迫的挑战了。