近日，美國科技巨頭谷歌在英國《自然》雜誌上刊登論文，宣稱其量子計算器已經實現了“量子霸權”（quantum supremacy）。谷歌首席執行官桑德爾·皮查伊（Sundar Pichai）發表文章，說谷歌一共花費了13年的時間來達成這一突破。
“量子霸權”是什麼？
“量子霸權”這一概念是2011年，美國理論物理學家約翰·普瑞斯基爾（John Preskill）提出。這裡的“霸權”並非我們平時理解的“霸權主義”，量子霸權是一個專有名詞，意思是在處理同一個問題時，量子計算擁有了超越所有古典（非量子）計算機的能力，實現量子計算機特有優勢。在物理實驗領域，由於迄今沒有任何一臺量子裝置在實際的測試中驗證這一能力，因此，誰能證明這種能力，就代表了實現“量子霸權”。
“量子霸權”的實現之所以重要，是因為這就代表量子計算能力從理論變成了實際，隨之而來的就是新的計算能力的飛躍。
一般觀點認為，量子計算機至少需要 49 個“量子比特”才能達成“霸權”目標。量子比特（Qubit）與傳統計算機的比特（bit）具有截然不同的特性，傳統計算器只能在一個比特中表達“1”或者“0”，但由於量子效應，量子字節的位置、方向、動量等數值無法得到明確定義，因此能夠同時表示“1”和“0”組成的疊加（superposition）狀態。根據谷歌CEO皮查伊文章，所以如果你有2個量子比特，就會同時有四種可能狀態，這種計算狀態會呈“指數級”增長。
谷歌的“量子霸權”
在公佈論文前，谷歌已經憑藉著龐大的量子計算機規模在競爭中處於領先地位。2018年，谷歌展示了73量子比特計算機，該計算器明顯強於位列第二的競爭對手IBM在今年9月18日公佈的53量子比特研究成果。
谷歌在《自然》的論文中表示，這次“量子霸權”實驗中，谷歌使用了規模較小的54比特Sycamore計算機。該計算機能夠在200秒內完成世界上最強大的超級計算機花費10000年所需的隨機數計算量，這讓目前所有傳統計算機相形見絀。
既然說到“量子霸權”，就不得不解釋一下神秘的“量子計算”。
量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照於傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；通用的量子計算機，其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由於量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時速度要快於傳統的通用計算機。
量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff於80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍後費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，並在1981年於麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的願景。1985年，牛津大學的D. Deutsch提出量子圖靈機（quantum Turing machine）的概念，量子計算才開始具備了數學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半侷限於探討計算的物理本質，還停留在相當抽象的層次，尚未進一步跨入發展算法的階段。
1994年，貝爾實驗室的應用數學家P. Shor指出 [3]，相對於傳統電子計算器，利用量子計算可以在更短的時間內將一個很大的整數分解成質因子的乘積。這個結論開啟量子計算的一個新階段：有別於傳統計算法則的量子算法（quantum algorithm）確實有其實用性，絕非科學家口袋中的戲法。自此之後，新的量子算法陸續的被提出來，而物理學家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計算器，來執行這些量子算法。
2019年8月，中國量子計算研究獲重要進展：科學家領銜實現高性能單光子源。中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉與陸朝陽、霍永恆等人領銜，和多位國內及德國、丹麥學者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實現了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算機超越經典計算機奠定了重要的科學基礎。國際權威學術期刊《自然·光子學》日前發表了該成果，評價其“解決了一個長期存在的挑戰”。
D-Wave One量子處理器晶圓
加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發佈了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實用型量子計算機“Orion”（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。
D-Wave One量子計算機系統與D-Wave公司創始人兼CTO Geordie Rose
2018年10月12日，華為公佈了在量子計算領域的最新進展：量子計算模擬器HiQ雲服務平臺問世，平臺包括HiQ量子計算模擬器與基於模擬器開發的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎研究層面邁出的第一步。
而現在，谷歌在持續重金投入量子計算13年後，成功摘取量子計算領域的一個重要里程碑！
不過我們也無需過於擔憂，國內眾多機構早已瞄準“量子霸權”，縮小與谷歌們差距。
合肥本源量子計算科技有限責任公司，是國內第一家以量子計算機的研製、開發和應用為主營業務的初創型公司，在實現“量子霸權”上做了不少探索，併力爭在2020年底推出中國首臺自主知識產權的量子計算原型機。
北京量子信息科學研究院及其超導量子計算實驗室
北京量子信息科學研究院及其超導量子計算實驗室
北京量子信息科學研究院更是將瞄準世界量子物理與量子信息學前沿和國家在量子信息技術等領域的戰略急需，整合北京現有量子物態科學、量子通信、量子計算、量子材料與器件、量子精密測量等領域骨幹力量，大力引進全球頂級人才，組建一支由世界級水平工程師組成的技術保障團隊，建設頂級實驗支撐平臺，力爭在理論、材料、器件、通信與計算及精密測量等基礎研究方面取得世界級成果。
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