北京時間10月24日，就在中國程序員慶祝他們的節日的時候，《自然》雜誌正式刊登了谷歌關於“實現量子霸權”的論文《使用可編程超導處理器的量子優勢》。這一天同樣是《自然》出版150週年紀念日。
谷歌CEO Sundar Pichai撰文稱，這一重大突破意味著，“我們已經使用量子計算機解決了一個問題，而使用經典計算機將花費不切實際的冗長時間”。
《自然》雜誌的論文和谷歌的博客文章中，谷歌的研究人員生成他們第一次獲得了“量子霸權（Quantum Supremacy）”。谷歌官方更願意將這個詞的中文翻譯為“量子優越性”。這個54比特量子計算機“Sycamore”花了200秒完成的計算，谷歌聲稱世界最快的計算機需要1萬年才能完成的。這份論文的草稿上個月意外發布在了NASA的官網上，但很快被刪掉。
從這項任務本身來看，只是執行隨機選擇的指令序列，並沒有任何可見的實際用途，但專家們卻認為這一成果仍然重要，因為其證明了量子計算的未來前景。
麻省理工學院應用物理學教授、電氣工程與計算機科學副教授WILLIAM D. OLIVER將這已成就與萊特兄弟的首飛成功相比較，他評論稱，“最重要的不是它實際完成了什麼，而是它所代表的內容”。
谷歌的量子計算之路
1980年，美國物理學家Paul Benioff描述了第一臺計算機的量子力學模型。在這項工作中，他通過描述圖靈機的薛定諤方程說明了計算機在量子力學定律下運行，為量子計算的進一步研究奠定了基礎。薛定諤的貓是一個量子力學思維實驗，是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器。由於擂的衰變存在幾率，貓的狀態除了生死，還有生死疊加。當然這是不可能發生的，但這個實驗就是試圖從宏觀尺度闡述圍觀尺度的量子疊加原理。
這一次備受關注的“量子優越性”，是2012年由加州理工學院的理論物理學家的John Preskill創造的，他用這個詞來描述量子計算機可以達到經典計算機根本做不到的事。通過利用量子物理的特性，量子計算機有可能在幾乎實時的情況下對大量的可能性進行分類，並提出一個可能的解決方案。經典計算機是以0或1的形式存儲信息，而量子計算機使用量子位，量子位可以同時以0和1的形式表示和存儲。
Sundar Pichai的博客披露，谷歌在量子計算的投入開始於十三年前，並一度因為進展有限而感到沮喪。2006年，谷歌科學家Hartmut Neven開始探索新的方向，即用量子計算來加速機器學習的過程，谷歌的AI量子團隊就此建立。2014年，美國物理學會院士John Martinis加入谷歌，開始負責量子硬件的研究，目標是建立第一個有用的量子計算機。
兩年後，谷歌量子研究人員Sergio Boixo發表了一篇論文，從而將谷歌的工作重點放在了量子優越性上。Sundar Pichai稱，谷歌之所以進行早期投資，是因為相信萊昂自己算可以加快解決從氣候變暖到疾病等世界上最緊迫的問題。在這次突破後，與設計更高小的電池、減少製造化肥的能量，以及弄清楚哪些分子可以製造有效藥物更近了一步。
谷歌研究的轉折點是2018年10月在南加州發生的一場火災。出於謹慎的考慮，谷歌關閉了位於聖芭芭拉的實驗室幾天。恰好在這場強迫性休假中，團隊以不同的方式重新思考了問題，並在幾個月後取得了突破。據悉，這是一個由35名研究人員和價值數億美元設備組成的實驗室，John Martinis告訴媒體，將在六個月搬進更大的實驗室，以及招募更多的工程師和物學家。
Sundar Pichai在博客的結尾稱，量子計算為我們提供了另一種表達的語言，狀態將不只是1和0，還有其他的狀態，“美麗、複雜且無限可能”。
量子計算是場馬拉松，引來中外參賽者
但是，無論是谷歌，還是其他科學家，都清楚地意識到，通往量子計算的目標仍是一場馬拉松式的過程。作為量子優越性的提出者John Preskill在接受媒體採訪時表示，這不會在一夜之間改變任何東西，但重要的是，量子計算機目前所處的階段是，至少在某些領域，它可以超越世界上最好的計算機。
就像“阿爾法狗”引發了新一輪人工智能的浪潮，谷歌在這場量子計算的變革中再次引發了不同的爭議，其背後是由於NASA意外提前披露。曾經開發產業最強計算機的IBM就在谷歌正式發佈論文前一天晚上開懟。IBM稱，谷歌的說法存有缺陷，因為並沒有充分利用全部嫩李。換而言之，IBM認為谷歌調整了基準，並表示如果進行優化和改進，超級計算機需要2.5天也可以解決問題。雖然這個時間遠沒有200秒那般短小，但比1萬年要少得多。
距離真正能夠用於安全加密、發現靶向藥物，或者尋找新的環保材料，谷歌目前所做的仍然遠遠不夠，技術最終仍然需要商業級的產品落地。這仍需要幾年時間，因為專業人士指出，硬件挑戰目前來看仍有不小的壓力。量子計算競賽的另一群參賽者正在做這樣的努力，從微軟到一些風投支持的初創企業，正在利用其他涉及光和小粒子的科學技術是量子計算商業化。
在中國，阿里巴巴、騰訊、百度、華為在內的公司都相繼建立了量子計算實驗室或者研究所專門發展量子計算技術。騰訊佈局量子計算始於2017年初，隨後招納了多位海外人才，其中包括香港中文大學終身教授張勝譽，他是騰訊量子實驗室的創建者和負責人，騰訊的方向是化學和藥物研究。
阿里巴巴則是通過達摩院的量子實驗室開展研究，由前密歇根大學教授施堯耘博士組建，招納瞭如滑鐵盧大學量子計算研究所博士鄧純青，後者曾主導新一代量子處理器的研發。2018 年初，該實驗室研製的量子電路模擬器“太章”在全球率先成功模擬了81比特40層的作為基準的谷歌隨機量子電路。2019年9月，阿里巴巴達摩院院長張建鋒宣佈量子實驗室完成了第一個可控的量子比特的研發工作。
百度的量子計算研究所成立於2018年3月，悉尼科技大學量子軟件和信息中心創辦主任段潤堯教授出任所長，百度計劃逐步將量子計算融入業務中。2018年，華為數據中心技術實驗室招納了在南方大學物理系任教的翁文康擔任量子計算軟件與算法首席科學家，目前主要研究方向包括量子計算物理與操控、量子軟件，量子算法與應用等。
這是一個被看好的領域。第三方機構Allied Market Research預計，到2025年，全球企業量計算市場規模將從2017年的6.5億美元增長值58.5億美元。另一家機構Gartner的數據則顯示，到2023年，包括企業和政府在內的20%的組織預計將為量子計算項目提供預算，高於2018年的不足1%。
由於量子計算的特性，對於信息保密技術將得到徹底顛覆，原因是一些複雜的加密算法將被瞬間攻破。不僅如此，更多當前看來複雜的運算都將得到新的解決方案，比如金融數據分析、新藥物研發、供應鏈物流的優化，這一系列指數級的複雜數據分析都將因此受益。
正如目前擔任谷歌人工智能量子計算團隊工程總監的Hartmut Neven在博客中寫道，“這項成就十多年研究和許多人風險的結果，這也是新旅程的開始：弄清楚如何使用這項技術，併發揮作用”。
新京報記者 梁辰 編輯 陳莉 校對 李世輝
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