「量子霸權」還是「量子優勢」？量子計算競賽「加速時」
Emtech China峰會量子計算分論壇現場
「量子計算的關鍵是能代表大量數據，並且比傳統計算機更有效率。」……量子計算機是一個跨學科的行業，除了物理學家、計算機科學家、數學家，甚至還需要金融行業的定量和分析家，合作設計新的演算法，覆蓋所有領域。
「量子計算機如何定義？是否包括通用計算機和專用量子模擬器？」「IBM 50量子比特原型機能夠解決什麼問題了？IBM內部最大能糾纏的量子比特數是多少？」「……我們暫時不便公開討論這一數據。」
1月29日，《麻省理工科技評論》與DeepTech深科技主辦的EmTech China全球新興科技峰會在北京舉行，負責量子計算的IBM、D-Wave高管、Founders Fund首席科學家與中科大教授同台亮相「量子計算」分論壇。在充斥著「非常贊同」的禮節性討論中，無聲的硝煙也在微妙中釋放。
兩個多月前，IBM對Google的「量子霸權」（Quantum Supremacy，更中性的表述是「量子至上」）演算法提出挑戰，並搶先一步推出一台50量子比特的所謂「量子計算原型機」，但至今未公布詳細性能和測試結果。對此，Google首席科學家John Martinis曾在量子信息處理國際大會上公開表達不滿。他所帶領的團隊原計劃在去年年底前利用49量子比特模擬系統攻克經典計算機無法解出的難題，率先登頂「量子霸權」。
「我們理想的真正的可實用量子計算是基於成百上千的量子比特，49個量子比特是不夠的。我們已經證明，在傳統超級計算機上使用全新的演算法，可以模擬這個數量級的量子計算機。」在會議期間接受南方人物周刊採訪時，IBM量子戰略與生態副總裁Robert Sutor說起對「量子霸權」概念的不滿，「這不是說某一天一個人醒來，一個新時代就開啟了，從傳統計算機時代進入到量子計算機時代。我們更喜歡『量子優勢（Quantum Advantage）』的說法，更加關註解決實實在在的行業問題。」
據英國金融時報1月29日報道，Google將於近期披露49量子比特系統的相關論文。去年5月，中科大潘建偉團隊與中科院物理所和浙江大學的聯合研究組自主研發出10比特超導量子線路樣品，打破前一年Google團隊創造的9個超導量子比特糾纏操縱記錄。在公開報道中，他們將實現「量子霸權」的時間表初步定於2020年。
量子計算競速
中科大上海研究院量子光學實驗室內，制冷機「滴滴」地鳴叫著。零下269攝氏度的低溫中，激光打中比頭髮絲細幾千萬倍的量子點，產生一對「相似度」達到99.5%的單光子。在1平米的實驗台上，它們穿越10多個玻片，進入多路分束器——也就是這台光量子計算原型機的CPU中——進行干涉和糾纏，最終運算出「玻色採樣」的結果，速度比世界上首台晶體管計算機快200多倍。
這是世界上首台超越早期經典計算機的光量子計算機。該成果去年5月在《自然光子學》發表，被業界視為在光量子領域邁進了一大步。但是要實現最終學術意義上的「量子霸權」，其計算能力必須打敗目前最強大的超級計算機——這將是從1946年的「ENIAC」（每秒5000次定點運算速度）到2016年的「太湖之光」（每秒9.3億億次浮點運算速度）的跨越。
量子計算原理上的並行性，可以幫助實現這一點。計算機的運算單位比特只有0和1兩種狀態，但在量子計算機中卻可以處於0和1的疊加態。利用量子的這種疊加性質，量子計算機的運算速度可以指數級增長。比如，一個精確操縱50個量子比特的量子計算機，可以有2的50次方的狀態同時存在，也就是大約1000萬億。
主流科學家預計50量子比特精確操縱的量子計算機能達到「量子霸權」的目標。今年1月，中科大團隊在預印本網站發布的論文剛剛達到了18個光量子比特，未來2到3年內則有望實現30到50個光子的量子線路。
中科大潘建偉團隊研製的光量子計算機線路圖
除了在光量子方向佔據國際優勢外，中科大潘建偉團隊還在超導和超冷原子方向進行了布局：前者是Google和IBM領銜的美國優勢領域，具有可操縱性強、適用於當今微電子工藝的特點；後者被潘建偉視為「最快能帶來實際價值」的系統，主要競爭對手是來自美國、德國、奧地利、英國、瑞士的科研機構和公司。其他具有潛力的方案還包括：美國馬里蘭大學和奧地利因斯布魯克大學為代表的離子阱；微軟另闢蹊徑的拓撲量子比特等。
去年年初，頂級學術期刊《Nature》（《自然》雜誌）曾刊文，將2017年稱為「量子計算機從實驗室走進現實」的轉折之年，從純粹的科學轉向工程建造。如今Google和微軟雙雙準備公布量子計算「重大技術突破」，將這場技術競賽推向新的高潮。據金融時報報道，微軟也將在近期宣布其第一個有效量子比特原型機，該團隊主管稱，這一內含糾錯特性的新機制將使他們「大大超越目前的業界水平」。
「二十年之前，我覺得量子計算的idea在我有生之年不可能成為現實；二十年過去了，我覺得這個新量子革命正在到來，正在發生，而且量子計算所發展的進程比我想像的要快得多。」2017阿里雲棲大會上，潘建偉曾在主題演講中這樣說道。
「後量子時代」？二三十年後
不過，上述量子計算開發方案都各有局限，以此建造的量子計算系統在現實場景中的應用也仍面臨諸多考驗，包括量子門的精度問題、量子線路的可擴展問題、量子比特本身的退相干等等。目前IBM宣布的50量子比特超導原型機也只能維持90微秒的運行時間。學術界對量子計算機應用整體上仍抱著謹慎態度。
IBM 50量子比特量子計算原型處理器制冷機外觀圖
「選擇對你有用的信息，謹慎對待一些理想化的論點。每個人都會基於自己本身情況想要的演算法從而找到合適的計算機。」這是Robert Sutor的回答。
儘管起步晚於歐美，中國科研機構和商業巨頭正在集聚協同攻關，以實現量子計算的「彎道超越」。由中科大領銜的量子信息國家實驗室，一期計劃總投資約70億元，預計將在2020年籌建完成；近期「量子通信與量子計算機」科技創新2030重大項目也已報國家有關部門，還在等待決策。
歐盟在論證和決策量子重大計劃方面動作更為迅速。2015年發布的《量子宣言》，以10億歐元打造量子科技旗艦項目，已於近期啟動，同時歐洲每個國家還額外給予至少1:1配套；美國同樣將量子科技列入國家戰略，政府投資每年達到3.5億美金；日本也制定了長期發展路線圖。
作為中國量子信息科技領軍人，潘建偉將量子科技在21世紀的重要性與上世紀研製原子彈的曼哈頓計劃相提並論，「一開始只有掌握核心技術的幾十個人，後來很短時間內就從全國匯聚起了上萬人」，「如果說量子信息是一棵竹子，過去一直在泥土中醞釀破土，現在則到了破土而出的時候，人們常說『雨後春筍』，它將很快進入拔節猛長的階段。」
量子信息科技的兩支——量子保密通信和量子計算，某種程度上存在一些「左右互搏」的意味。最著名的量子演算法Shor 大數分解演算法，可以用來破解被廣泛使用的RSA 公鑰密碼系統。利用萬億次的經典計算機分解300 位的大數，需要15萬年（整數越大，破解越困難）；利用萬億次的運行Shor 演算法的量子計算機，則只需1 秒。而以量子密鑰分發為代表的量子保密通信技術，則利用「量子不可克隆原理」，理論上可以實現「無條件安全的通信」。事關國計民生的信息安全，直接將兩者推向國家格局競爭的高度。
IBM量子戰略與生態副總裁Robert Sutor
「有了量子計算機的算力後，人們會有一些擔憂，目前的加密法會不會很容易被黑客所攻破？但這需要的量子比特是上百萬級的，我們目前還在50個量子比特的階段，所以還需要一個時間期。」Robert Sutor在採訪中談到，目前科學家已經在研究「後量子時代」的加密法並在今後加以標準化，「要實現這樣一個複雜加密，可能還有20到30年的時間，不會一蹴而就。二三十年後，當量子計算逐漸成為主流時，它就能起到加密作用，防止量子計算被黑客攻破。」
中科大教授陸朝陽
通用計算機還是專用模擬器
「目前量子通信已經走向實用化和產業化階段，中國處於國際上全面領先的地位。而量子計算這個領域總體上大家都才剛剛從基礎研究開始邁入技術集成和集中攻關的研發階段。」中科大教授陸朝陽在會上指出，這個發展過程大致可以分為三個階段。
一是「量子霸權」階段：針對特定某些問題（如玻色採樣、隨機線路取樣等）性能超越經典計算機，超過50個量子比特的量子模擬系統在2020年前就將出現；
二是實用量子模擬機階段：在2025年左右，數百個量子比特的量子計算系統可以實現組合優化、量子化學、機器學習等方面應用；
三是通用可編程的量子計算機階段：數億量子比特且可容錯的量子計算機，能在大數分解、量子大數據搜索、量子人工智慧方面發揮巨大作用。
中科大教授陸朝陽（前排右一）入選首屆MIT TR35（35 歲以下年度創新 35人） 中國區榜單
在各種場合，常有各種領域的科研人員談論量子計算機的定義和範疇。陸朝陽也把這個問題拋給了EMtech峰會上的嘉賓，「很多普通人認為只有通用計算機才能算作量子計算機，你怎麼看？如果你有足夠的資金，會投資通用計算機還是專用量子模擬器？」
3位來自企業界的科學家回答出奇一致：性能和實用為王。
Founders Fund首席科學家Aaron Van Devender
在Founders Fund首席科學家Aaron Van Devender看來，量子計算機存在標準上的一些變化，但也有大多數人接受的定義：以量子計算的形式維持運轉，擁有量子比特特性等。
「確實存在這方面爭議，比如到底是退火器還是模擬器更適用於量子計算機？我覺得爭論並不重要，重點在於過去的計算機機器模型也沒有一個完美的代表，而對計算機科學方面的開發商而言，重要的是需要知道，有沒有真實的環境應用從而引導計算機的實踐。」
D-Wave量子計算機內部構造
標準量子計算機由一系列基本的邏輯門來實現量子電路，希望在未來通過編程運行普適性的各種演算法。與此不同，D-Wave的量子計算機產品就基於「量子退火」演算法設計，並不針對普通的科學計算，而是針對優化組合，從而實現比現行量子模擬器更快、處理更廣泛問題的功能，也更具商業化價值。
D-Wave最新發布的第四代機器模型已經達到2000量子比特。在其發展早期，很多批評者質疑其是否能算得上量子計算機。2013年，Google與NASA聯合以1500萬美元購買其512量子比特的「二代機」，一年後宣布測試發現該機器沒有量子加速的證據。
D-wave2X量子計算機
在會議現場，D-Wave CEO Vern Browenll也承認，創始人在2014年決定出售自己的退火器，有一定爭議。但他認為，「為企業提供一些有用且速度更快的應用，才是應用量子計算機的競爭力所在。」2015年Google曾宣布，D-Wave2X對某些問題的求解速度已達到傳統計算機的1億倍，但後來也遭到了優化後的傳統演算法的挑戰。Vern在演講中採用了更保守的數字，「我們的運算速度要比傳統演算法快2000倍，是世界上最先進的量子計算機。」
商業場上，贏者通吃。在這場日益喧囂的競賽背後，何為benchmark（測試標杆），才是業界更為關注的焦點。
IBM與Google之爭
最新的論爭在IBM與Google之間展開。去年10月，IBM試圖挑戰Google的「量子霸權」演算法，將其準備發布的49量子比特模擬器「趕下神壇」。
「我覺得有很多標題、噱頭、聽上去非常漂亮，但是沒有什麼用，我們要防止這些噱頭，保持理性和清醒，展現硬體計算機能力，這才是關鍵。」在主題演講和論壇討論中，雖未點名，Robert Sutor話中帶刺。「行業里有一種叫做『量子霸權』的概念，但是我不太贊同。」他認為，「量子霸權」試圖解決的只是「一些科學家提出的人造的理論問題」，「其背後的邏輯錯誤在於，他們沒有考慮所有的可行性。」
「量子霸權」一詞誕生於2012年，由加州理工學院量子理論學家 John Preskill 創造，受到科學界廣泛認可和引用。2014年，加州大學聖芭芭拉分校John Martinis團隊加盟Google。他們發表的在量子計算機上設計取樣機制的實驗流程論文，將「50量子比特」水平推向「量子稱霸」的標杆性意義。去年4月，Google公布了實現「量子霸權」路線圖，計劃在年底前利用49量子比特模擬系統攻克經典計算機無法解出的難題。
然而，去年10月16日，IBM 托馬斯·J·沃森研究中心研究員發表的一份預印本論文指出，憑藉足夠精巧的裝置，經典計算機可以模擬56比特的量子電路，標題直指「打破49量子比特障礙」（Breaking the 49-Qubit Barrier in the Simulation of Quantum Circuits）。也就是說，他們認為，49個量子比特不足以宣稱「量子霸權」。
但《Nature》報道援引Martinis本人回應以及MIT 計算機科學權威Scott Aaronson的評價，認為該論文並未削弱「量子霸權」實驗的合理性，反而證明了Google已規劃的「量子霸權」測試的前提。
中科大潘建偉團隊與浙江大學、中科院物理所聯合開發超導量子計算機，實現「量子霸權」的路線圖
一個月後，IBM同時宣布推出一台20量子比特的量子計算機和50量子比特的所謂「量子計算原型機」，至今未公布詳細性能和測試結果。在Emtech峰會現場和採訪中，Robert Sutor仍拒絕回應該原型機的工作細節，只說用它做了一些基礎數學運算。
「我們從5和6個量子比特，做到20到50之間的量子比特，是一個全新的架構，也是重大量級的轉變。IBM內部積累了很多經驗，本質上想了解如何操作這種大型計算機。」 Robert Sutor說。
今年1月中旬，在荷蘭召開的量子信息處理國際大會（QIP2018）上，Martinis對IBM的做法公開表達了不滿，「如果我們現在已經能輕易做到0.001的比特錯誤率，我們可以只談論量子比特數目。但顯然我們還沒有到那個時候，因此在公開信息中只談量子比特數目是瘋狂（insane）的。」
事實上，半導體工藝的量子晶元，量子位數目可以任意加工。但隨著量子位數目的增加，雜訊和錯誤率也相應增加。容錯量子計算的要求是量子邏輯門的保真度達到99%及以上，否則量子位數目再高，量子晶元也沒有科學或實用價值。
正如Aaron Van Devender所說，理想中的量子計算機不僅有疊加效應還要有糾纏效果，使得所有信息處理的元素之間能更好地相互連接，使量子計算機發揮更大的作用，而不是停留在「表層處理」。如果做不到高精度量子糾纏，一台50量子比特的系統與10台獨立的5量子比特系統無異，離真正的「量子霸權」相差甚遠。
這或許凸顯了科學界和商業界的規則差異。目前最高品質的超導量子線路樣品是Google的9量子位晶元和中國的10量子位晶元，前者量子邏輯門保真度達到了99.4%，後者形成了10個量子比特的全體糾纏，測試結果都經過嚴格的同行評議，在國際學術期刊上公開發表。
IBM提出「量子體積」概念，衡量量子計算機的計算能力
當然，IBM也沒有否認錯誤率控制的重要性。最近他們提出了「量子體積」（Quantum Volume）的概念，用以衡量量子計算機的計算能力，並且特彆強調「一台量子計算機的能力不僅僅取決於『堆』量子比特」。在他們給出的模型中，同樣量子比特數目的量子計算機，錯誤率少10倍的，體積大了24倍；而兩台錯誤率一樣的量子計算機，多出100個量子比特，體積也沒有差別。
「過去兩三年里，有一些人做了很多不切實際的承諾，比如未來我們能夠進一步提高量子比特數，或者2017年可以達到什麼目標。但現在還是與先前一樣。」Robert Suto認為，目前門模型基本上已接近落地階段，「我們結合了常規意義上的計算機演算法和量子演算法，使得這樣的模型具有一定的執行能力。但還需要做很多努力來確保其在糾錯方面有更高的效率，而且能夠有效提高量子位。」
他還期待晶元技術有重大飛躍，「需要零部件和演算法同步，才能進行下一量子位的升級。」千言萬語總結為一句話，「你先要做好自己的事。」
量子優勢時代到來？
比起「量子霸權」，Robert Sutor更樂意談論「量子優勢」，關註解決實實在在的行業問題，比如在藥物開發、流程優化、金融和物流等解決方案方面，超過傳統計算機。IBM在去年宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平台IBM Q，還與摩根大通等公司合作計劃在2021年前推出首個在金融領域的量子計算應用。
「量子計算的關鍵是能代表大量數據，並且比傳統計算機更有效率。」 Robert說，「我們不斷地提到自然是數字化的，可能不應該只有0和1這樣簡單的表達方式，也會需要有一定的優化。」他強調，量子計算機是一個跨學科的行業，除了物理學家、計算機科學家、數學家，甚至還需要金融行業的定量和分析家，合作設計新的演算法，覆蓋所有領域。
D-Wave CEO Vern Browenll
這一提法得到Vern Browenll的附和。他相信，D-Wave已經接近「量子優勢」，並且「有可能是第一個展示出量子優勢的公司。」他們的最新產品將在未來幾個月內正式發布，未來應用涉及各行各業，包括機器學習、材料科學、網路安全、錯誤探測。
Vern介紹，D-Wave和大眾公司合作，使用量子演算法計算在北京的418輛計程車的交通流向，只用了22秒，並且找到了最好的方法來緩解北京計程車交通阻塞問題。
「量子計算在未來將會是一個必要的計算工具，它可能不會替代傳統的計算資源，但它會成為我們傳統計算的輔助工具。」Vern說。
「量子霸權」與「量子優勢」的分野，或許不是真正嚴肅而有價值的問題，而更像商業巨頭間的競爭和宣傳策略。在科研界看來，前者是後者的子集和前提，能夠實現「量子優勢」需要已經掌握了「量子霸權」的能力。
因此，對於科研人員而言，「量子霸權」仍是堪稱「標杆性」的目標，是展示量子計算優越性的里程碑。「有不虞之譽，有求全之毀」，陸朝陽用這句話來概括大眾對當今量子計算領域的認識和評價。
Aaron Van Devender則抱著更為實用主義的看法。「量子霸權也好，量子優勢也好，到來的時間會比我們預期的更早一些。即使量子計算機沒有達到碾壓式超越超級計算機或傳統計算機的性能，但是我們以某種方法讓它的成本更便宜、速度更快，為什麼不用它呢？」
不過，其他略微落後的量子計算開發公司，似乎還並不買賬。英特爾實驗室主管Mike Mayberry就對《金融時報》說，在真正可用的量子計算出現前，科技巨頭之間還有「10年的競爭」要打，「我們依舊處於『玩具系統』時代」。
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文 / 本刊記者 陳竹沁 發自北京、上海
編輯 / 周建平
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