自美國加州理工學院物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）於2012年提出了“量子霸權”的概念以來，谷歌、IBM、英特爾、微軟、亞馬遜以及諸多初創公司就開始加大對量子計算的投資和研發，該領域的競爭也變得日益激烈。目前，谷歌和IBM毫無疑問處於領先地位。IBM是大型機和超級計算機領域無可爭議的霸主，而谷歌在去年10月份宣稱實現了“量子霸權”。
如今，兩家公司正展開針鋒相對的較量，看誰能首先造出世界上最好、具有實用意義的量子計算機。雙方採用了不同的解決方案，同時也面臨著許多共同和各自需要克服的挑戰，那麼它們最終誰能在這場競爭中勝出？
谷歌最先進的電腦不在該公司位於美國加州山景城的總部內，也不在狂熱蔓延的硅谷的任何地方。從聖芭芭拉往南驅車幾個小時，你就會來到一個表面上顯得平白無奇的辦公園區，這裡入駐的大多也是你從未聽說過的科技公司。
在這個園區的一間開放式辦公室裡，有幾十張辦公桌，還有室內自行車架和指定的“衝浪板停車場”，衝浪板放在從牆上伸出的支架上。寬大的雙扇門通向一個寬敞教室大小的實驗室，在那裡的計算機機架和雜亂的儀器中，有些圓柱形、比油桶稍大的容器懸掛在減震裝置上，就像巨大的鋼蛹。
其中的一個圓柱形容器外殼已經被移除，露出了裡面由鋼和黃銅組成的多層次、錯綜複雜的內部結構，它被稱為“枝形吊燈”。這基本上就是臺超級冰箱，越往下層溫度越低。在底部，保持在絕對零度以上、大約只有頭髮寬度大小的真空中，可以用肉眼看到類似普通硅片的東西。但它上面沒有蝕刻晶體管，而是由微小的超導電路構成。在這種低溫下，這些電路的表現就好像它們是遵守量子物理定律的單個原子。它們就是所謂的量子比特，即量子計算機的基本存儲單元。
2019年10月底，谷歌宣佈，該公司利用名為Sycamore的芯片，通過執行在傳統計算機上幾乎不可能完成的任務，首次實現了“量子霸權” （quantum supremacy）。根據谷歌的說法，用53個量子比特，Sycamore在幾分鐘內完成了一項計算，而這項任務需要世界上現存最強大的超級計算機Summit計算1萬年時間。
谷歌宣稱這是個重大突破，甚至將它與蘇聯發射首顆人造衛星或萊特兄弟進行首次飛行相提並論，並稱掀開了新機器時代的序幕，它將使當今最強大的計算機看起來像過時的算盤。
在聖巴巴拉實驗室舉行的新聞發佈會上，谷歌團隊愉快地回答了記者的提問，問答環節持續了近三個小時。但他們的幽默掩飾不了內心的緊張。因為就在兩天前，谷歌在量子計算領域的主要競爭對手IBM的研究人員破壞了它的重大發現。他們發表了一篇論文，指責谷歌給出了錯誤計算。IBM認為，Summit只需要幾天時間就可以複製Sycamore的成就，而不需要上萬年。當被問及對IBM的質疑有何看法時，谷歌團隊負責人哈特穆特·尼文（Hartmut Neven）刻意迴避了直接回答。
你可以認為這只是一場學術爭論，從某種意義上說也確實如此。即使IBM的懷疑是對的，Sycamore的計算速度仍然比Summit快1000倍。也許僅僅幾個月後，谷歌就會造出體型稍大的量子計算機，向懷疑者證明自己。然而，IBM更深層的反對意見並不是谷歌的實驗沒有宣稱的那麼成功，而是它首先就是個毫無意義的測試。
與大多數量子計算領域不同，IBM並不認為“量子霸權”是該技術領域的萊特兄弟時刻。事實上，IBM甚至不相信會有這樣的時刻。相反，
IBM追求的是一種完全不同的成功衡量標準，即所謂的“量子優勢”（quantum advantage）。這不僅僅是措辭上的不同，甚至也不是科學上的分歧，而是在哲學立場上的對立，它植根於IBM的歷史、文化和雄心壯志中。也許還有這樣一個事實，即八年來，IBM的收入和利潤始終在下降，而谷歌及其母公司Alphabet的營收數字卻在增長。在這樣的背景下，以及各自設定的不同目標，可能會影響雙方在量子計算競賽中究竟哪一方會勝出。
規模宏大的實驗
量子計算機的基本構件就是量子比特。在傳統計算機中，一個普通比特只能存儲0或1，而量子比特不僅可以存儲0或1，還可以存儲介於兩者之間、被稱為“疊加”的狀態，這可以假設許多不同的值。這裡我們可以類比下，如果信息是彩色的，那麼普通比特可以是黑色的，也可以是白色的。而當量子比特處於疊加狀態時，它可以是光譜上的任何顏色，也可以是亮度不同的顏色。
結果是，與普通比特相比，一個量子比特可以存儲和處理大量的信息，而且當你把量子比特連接在一起時，容量會成倍增長。在谷歌Sycamore芯片上以53個量子比特來存儲所有的信息，將需要大約72PB（720億GB）的傳統計算機內存。不需要太多的量子比特，其計算和存儲能力就可以與星球大小的傳統計算機相媲美。
當然，量子比特並非沒有缺點。由於量子比特脆弱且易受干擾，因此必須與熱量、振動和雜散的原子完全隔離，因此才有了谷歌量子實驗室裡的“枝形吊燈”冰箱。即便如此，它們最多也只能工作幾百微秒，然後就會“退化”（decohere），失去疊加狀態。
量子計算機並不總是比傳統計算機快。它們只是有所不同的機器，有的更快，有的更慢，並且需要不同種類的軟件。為了比較它們的性能，你必須編寫一個近似模擬量子計算機的經典程序。
在實驗中，谷歌選擇了一個叫做“隨機量子電路採樣”的基準測試。它產生了數百萬個隨機數字，但帶有輕微的統計偏差，而這正是量子算法的特點。如果Sycamore是個袖珍計算器，它就相當於隨機按下按鈕，然後檢查顯示器是否顯示了預期的結果。
谷歌在它自己的大型服務器場和世界上最大的超級計算機Summit（位於橡樹嶺國家實驗室）上模擬了部分過程。研究人員估計，完成整項耗時200秒的計算工作，將花費Summit大約1萬年的時間。瞧，這就是“量子霸權”。
那麼IBM反對的是什麼呢基本上，讓傳統計算機模擬量子計算機有不同的方法，你編寫的軟件，你分割和存儲數據的方式，以及你使用的硬件都會對模擬運行的速度產生很大影響。IBM表示，谷歌假定模擬需要被分割成許多塊，但擁有280PB存儲空間的Summit足以同時保存完整的Sycamore狀態。IBM建造了Summit，所以它對此非常瞭解。
在最基本的層面上，傳統計算機中的軟件是一系列邏輯門，如NOT、OR和NAND，它們改變比特的內容（0或1）。同樣，量子軟件由作用於量子比特的一系列邏輯門組成，但它有一組更大、更奇特的門，它們的名字分別是SWAP（交換周圍兩個量子比特的值）、Pauli-X（翻轉量子比特的值的NOT門量子版本）和Hadamard（將量子比特從0或1轉換為0和1的疊加狀態）。到目前為止，還沒有像C++或Java這樣的高級語言的量子編程語言，但谷歌和IBM都創建了圖形界面，這讓使用GATES進行編程變得容易。
量子比特存儲信息的方式就像篩子存儲水一樣，即使是最穩定的量子態也會在幾百微秒內“退化”，或者從脆弱的量子態跌落。甚至在那之前，錯誤就開始堆積。這意味著一臺量子計算機只能做固定量的計算，然後就會慢慢停下來。谷歌的更大芯片在30到40微秒後“退化”，足夠它們運行40個量子邏輯門序列。IBM的芯片可達500微秒，但它們處理邏輯門的速度也更慢。
截然不同的理念
IBM位於紐約市北部郊區的托馬斯-沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center）曲線優美，輪廓分明，它是芬蘭建築師埃羅·沙裡寧（Eero Saarinen）的新未來主義傑作，但它與谷歌團隊毫不起眼的挖掘工作相去甚遠，兩者甚至有著天壤之別。這棟建築於1961年完工，當時大型機為IBM帶來大量財富，使它具有博物館般的品質，提醒每個在裡面工作的人，公司在從分形幾何到超導體再到AI和量子計算的各個領域都取得了突破。
這個擁有4000人的研究部門的負責人是西班牙人達里奧·吉爾（Dario Gil），他講話的語速很快，總是能讓人感受到其澎湃的激情。每次與他交談時，他都會滔滔不絕地講述許多歷史裡程碑，意在強調IBM參與量子計算相關研究的時間已經足夠漫長。
但在過去的幾十年裡，IBM在努力將其研究項目轉化為商業成功方面卻不盡如人意。以最近的超級計算機Watson為例，IBM試圖將其轉變為機器人醫學大師。它的目的是提供診斷和識別海量醫療數據的趨勢，但儘管與醫療服務提供商建立了數十個合作伙伴關係，卻很少有商業應用。即使出現了一些商業應用，也產生了好壞參半的結果。
按照吉爾的說法，量子計算團隊正試圖通過同時進行研究和業務開發來打破這種循環。幾乎在量子計算機投入使用後，該公司就開始把它們放到雲上，讓外界可以訪問它們。在雲端，它們可以通過一個簡單的、在web瀏覽器上運行的拖放界面進行編程。
2016年推出的“IBM Q體驗”（IBM Q Experience）現在包括15臺公開可用的量子計算機，大小從5個量子比特到53個量子比特不等。每月約有12000人使用它們，包括學術研究人員、學生等不同人群。在小型機器上的時間是免費的，但IBM表示，已經有100多家客戶為使用更大的量子計算機付費。
除了谷歌的Sycamore之外，這些設備或者世界上任何其他的量子計算機都還沒有顯示出它們可以在任何方面打敗傳統計算機的能力。對IBM來說，這不是現在的重點。讓這些機器在網上可用，可以讓該公司瞭解未來的客戶可能需要什麼，並允許外部軟件開發人員學習如何為他們編寫代碼。這反過來又促進了它們的發展，使後來的量子計算機變得更好。
該公司認為，這個週期是通向所謂“量子優勢”的最快路徑。將來，量子計算機不一定會把傳統計算機遠遠甩在後面，但會以更快或更高效的方式做些有用的事情，這足以讓它們在經濟上產生足夠高的價值。儘管“量子霸權”是單一的里程碑，但IBM認為，“量子優勢”是“連續性的里程碑”，是個逐漸擴大的可能性世界。
這就是吉爾關於IBM的大統一理論：通過結合它的傳統、技術專長、其他人的智力以及其對商業客戶的奉獻，該公司可以比任何人更快、更好地構建有用的量子計算機。
美國德克薩斯大學奧斯汀分校物理學家斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）說，從這種觀點來看，IBM認為谷歌的“量子霸權”演示只是“室內把戲”。在最好的情況下，這只是一種從真正需要進行的工作中轉移注意力的浮華現象。在最壞的情況下，這甚至是一種誤導，因為它可能會讓人們認為量子計算機可以在任何事情上擊敗傳統計算機，而不是侷限於非常狹隘的任務上。吉爾說，對於“霸權”這個詞兒，公眾很可能產生誤解。當然，谷歌對此的看法截然不同。
谷歌的量子研究歷程
谷歌在2006年第一次開始研究量子問題時，還是剛剛成立8年的初創公司，它直到2012年才成立了專門的量子實驗室。同年，美國加州理工學院的物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）創造了“量子霸權”這個術語。
谷歌用於實現“量子霸權”的設備
谷歌量子實驗室的負責人是哈特穆特·尼文（Hartmut Neven），他是一名德國計算機科學家，以嚴厲著稱，喜歡“火人節”式的時裝，有時候他會穿著毛茸茸的藍色外套，甚至穿著全銀色的服裝，讓他看起來像個邋遢的宇航員。
起初，尼文購買了外部公司D-Wave製造的機器，並花了一段時間試圖在其上實現“量子霸權”，但沒有成功。他說，2014年，他說服時任谷歌首席執行官的拉里·佩奇（Larry Page）投資建造量子計算機，並承諾谷歌將接受普雷斯基爾的挑戰。奈文回憶稱：“我們告訴佩奇，三年後我們會回來，在你的桌子上放上原型芯片，至少可以計算傳統計算機無法處理的問題。”
由於缺乏IBM的量子專業知識，谷歌從外部聘請了一個團隊，由加州大學聖巴巴拉分校物理學家約翰·馬提尼斯（John Martinis）領導。馬提尼斯和他的團隊已經是世界上最好的量子計算機制造團隊之一，他們成功地將9個量子比特串在一起，而尼文對佩奇的承諾似乎是他們值得追求的目標。
三年的最後期限延遲了數次，馬提尼斯的團隊努力研發一個足夠大、足夠穩定的芯片來迎接挑戰。2018年穀歌發佈了迄今為止最大的處理器Bristlecone。它擁有72個量子比特，遠遠領先於競爭對手的任何產品。馬提尼斯預測，它將在同一年實現“量子霸權”。但團隊中有幾個人一直在並行地研究另一種名為Sycamore的芯片架構，這種架構最終證明可以用更少的量子比特做更多的事情。因此，這種有53個量子比特的芯片最終在去年秋天證明了它的優越性。
實際上，在那個演示中使用的程序根本沒有任何用途。它生成隨機數字，這不需要量子計算機也能做到。但是，它以一種傳統計算機很難複製的特殊方式生成它們，從而建立了概念證明。
詢問IBM員工他們對這一成就有何看法，你會露出痛苦的表情。IBM量子團隊負責人、說話謹慎的澳大利亞人傑伊·甘貝塔（Jay Gambetta）說：“我不喜歡‘量子霸權’這個詞，也不喜歡它的含義。”他說，問題在於，幾乎不可能預測任何給定的量子計算對傳統機器來說是否困難，所以在一種情況下展示它並不能幫助你證明其在其他情況下是否適用。
許多IBM以外的人認為，該公司這種拒絕將“量子霸權”視為重大成就的做法近乎固執。尼文說：“任何想要獲得商業利益的人，都必須首先展示自己的優勢。我認為這只是基本的邏輯。”即使是這場爭論最公正的觀察者、麻省理工學院物理學家威爾·奧利弗（Will Oliver）也說“在某些任務上，無論什麼任務，量子計算機的表現都優於傳統計算機，這是一個非常重要的里程碑。”
量子飛躍
奧利弗說，不管你是同意谷歌的立場還是IBM的立場，下一個目標都是明確的，也就是建立可以做些有用事情的量子計算機。人們希望，這些機器有一天能夠解決更多問題，這些問題現在需要更強大的計算能力，比如模擬複雜分子以幫助發現新藥和新材料，或者實時優化城市交通流量以減少擁堵，或者進行長期的天氣預報。
IBM的電路組合器
問題是，我們幾乎不可能預測量子計算機第一個有用的任務是什麼，或者需要多大的計算機來執行它。這種不確定性與硬件和軟件有關。在硬件方面，谷歌認為它目前的芯片設計可以容納100到1000個量子比特。然而，就像汽車的性能不僅僅取決於引擎的大小一樣，量子計算機的性能也不僅僅取決於量子比特的數量。還有很多其他的因素需要考慮，包括“退化”需要多長時間，出錯的可能性有多大，運行的速度有多快，以及它們之間是如何相互聯繫的。這意味著今天運行的任何量子計算機都只能發揮其全部潛力的一小部分。
與此同時，用於量子計算機的軟件就像機器本身一樣，還處於起步階段。在傳統計算中，編程語言現在已經從早期軟件開發人員必須使用的原始“機器代碼”相差了幾個層次，因為數據如何存儲、處理和轉移的細節已經標準化了。谷歌團隊的軟件負責人戴夫·培根（Dave Bacon）說：“在傳統計算機上，當你給它編程時，你不必知道晶體管是如何工作的。 ”
而在另一方面，量子代碼必須高度定製，以適應它所運行的量子比特，以便最大限度地發揮它們無法預測的性能。這意味著IBM芯片的代碼不能在其他公司的芯片上運行，即使是優化谷歌53量子位Sycamore的技術，也不一定會在未來的100量子比特機器上運行得很好。更重要的是，這意味著沒有人能夠預測這100個量子比特能夠解決的問題有多困難。
人們最大膽的希望是，在未來幾年內，擁有幾百個量子比特的計算機將被用來模擬一些中等複雜的化學過程，這甚至可能足以推動對新藥或更高效電池的研究。然而，“退化”和錯誤累計將使所有這些機器在它們能夠做任何真正困難的事情（如破壞密碼學）之前停止工作。
這將需要一臺“容錯”量子計算機，它可以糾正錯誤，並像傳統計算機一樣無限期地運行。預期的解決方案將是創建冗餘，即使數百個量子比特在共享量子態中作為一個量子比特運行。總的來說，它們可以糾正單個量子比特的錯誤。當每個量子比特“退化”時，它的鄰居們就會把它帶回來，繼續參與到永不結束的相互復甦的循環中。
大多數人預測，需要多達1000個相連的量子比特才能達到這種穩定性，也就是說，要製造出一臺擁有1000個量子比特能力的電腦，你實際上需要容納100萬個量子比特。尼文說，谷歌“保守地”估計，它可以在10年內構建擁有100萬個量子比特的處理器，儘管有些重大的技術障礙需要克服，其中包括IBM可能仍有超越谷歌的優勢。
到那時，很多事情可能已經改變了。目前谷歌和IBM使用的超導量子比特可能被證明是他們那個時代的真空管，被更穩定可靠的東西所取代。世界各地的研究人員都在試驗各種製造量子比特的方法，雖然很少有先進到足以製造出可以工作的電腦的水平。Rigetti、IonQ或Quantum Circuit等競爭對手可能會在某項特定技術上發揮優勢，超越更大的公司。
採用不同解決方案
谷歌和IBM使用的超導量子比特幾乎是相同的，只有一個細微但可能至關重要的區別。在谷歌和IBM的量子計算機中，量子比特本身都是由微波脈衝控制的。微小的製造缺陷意味著，沒有兩個量子比特會對頻率完全相同的脈衝做出響應。
對此有兩種解決方案：1）改變脈衝的頻率，找到每個量子比特的最佳位置，就像努力抖動嚴重損毀的鑰匙直到它打開鎖。2）利用磁場將每個量子比特“調”到正確的頻率。
IBM使用了第一種方法，谷歌則採用第二方案。每種方法都有優缺點：谷歌的可調量子比特工作得更快、更精確，但它們不太穩定，需要更多的電路。IBM的固定頻率量子比特更穩定、更簡單，但運行速度更慢。從技術角度來看，至少在目前這個階段，這幾乎是一場勝負難分的比賽。然而，就企業理念而言，這是谷歌和IBM之間的不同之處。或者更確切地說，這就是量子比特的特性。
谷歌選擇了變得更靈活。尼文說：“總的來說，我們的理念更傾向於提高可控性，而不是犧牲人們通常尋找的數字。”另一方面，IBM選擇了可靠性。吉爾說：“做一個侷限於實驗室的實驗和發表一篇論文，與建立一個可靠性高達98%的系統，而且可以一直運行，這兩者之間有著巨大的區別。”
現在，谷歌佔據了優勢。不過，隨著機器變得更大，優勢可能會轉向IBM。每個量子比特由它自己單獨的導線控制，可調量子比特需要一根額外的導線。弄清楚數千或數百萬量子比特的線路將是兩家公司面臨的最艱鉅技術挑戰之一。IBM表示，這是他們採用固定頻率量子比特的原因之一。谷歌團隊的負責人馬提尼斯說，過去三年裡，他個人一直在努力尋找佈線解決方案。他開玩笑說“這是一個如此重要的問題，我為此付出了努力。”
新的摩爾定律
IBM沒有計算量子比特數量，而是追蹤它所稱的“量子體積”（quantum volume），這是一種測量計算機實際能處理的複雜程度的方法。它的目標是使這項衡量標準每年翻一番，這是著名“摩爾定律”的量子版本，IBM將其命名為甘貝塔定律”（Gambetta's Law），以其首席量子理論家傑伊·甘貝塔（Jay Gambetta）的名字命名。到目前為止，這個定律已經保持住了三年。這和戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965年提出摩爾定律時的情況差不多。
IBM採用所謂的“量子體積”作為衡量計算機處理能力的標準
但考慮到它們的規模和鉅額財富，谷歌和IBM都有機會成為量子計算業務的重要參與者。企業將租用它們的機器來解決問題，就像它們目前從亞馬遜、谷歌、IBM或微軟租用基於雲計算技術的數據存儲和處理能力一樣。物理學家和計算機科學家之間的戰爭將演變成商業服務部門和營銷部門之間的競爭。
那麼，哪家公司最有可能贏得這場比賽隨著收入的下降，IBM可能比谷歌更有緊迫感。該公司從痛苦的經歷中知道了緩慢進入市場需要付出的代價：去年夏天，IBM斥資340億美元收購了開源雲服務提供商紅帽（Red Hat），這是它有史以來最昂貴的一筆收購，目的是在該領域趕上亞馬遜和微軟，扭轉其財務命運。IBM將量子機器放到雲端並從一開始就建立付費業務的戰略，似乎是為了讓它有個良好的開端。
谷歌最近開始效仿IBM的戰略，其商業客戶現在包括美國能源部、大眾和戴姆勒。馬提尼斯說，谷歌沒有更早這麼做的原因很簡單“我們沒有把它放到雲端的資源。但這可能還有另一種說法，即它不必優先考慮業務發展。
這一決定是否會給IBM帶來優勢還很難說，但更重要的可能是這兩家公司在未來幾年將如何運用其他優勢來解決當前挑戰。吉爾表示，IBM將受益於其在從材料科學、芯片製造到服務大企業客戶等各個領域的“全套”專業知識。另一方面，谷歌擁有硅谷式的創新文化和大量快速擴張業務的實踐。
至於“量子霸權”本身，它將是一個重要的歷史時刻，但這並不意味著它將是個決定性的時刻。畢竟，每個人都知道萊特兄弟的第一次飛行，但誰能記得他們後來做了什麼？
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