當我們在說量子霸權時，實際上是在說什麼？

本月初，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone。專家認為，這可能是量子計算研發的轉折點，有可能在這個基礎上探索出規模化量子晶元的技術，從而具備實現量子霸權的潛力。

The 72-Qubit Bristlecone quantum processor. Image: Google

霎時間，各式各樣關於量子霸權競賽的報道映入眼帘，那麼當我們在說量子霸權時，實際上是在說什麼呢？

首先，「量子霸權」是對中文媒體對quantum supremacy一詞的翻譯，而可能因為「霸權」剛好是supremacy百度翻譯給出的第一個意思（事實上，從本意上出發，「優勢/優越性」或許更為合理）。

根據維基百科的解釋，quantum supremacy是指量子計算設備可以解決經典計算機實際上無法解決的問題的潛在能力。（或者說一台經典計算機無法模擬一台擁有N-qubit的量子計算設備的運算或是任務運行，那麼可以說這台量子計算設備就具有quantum supremacy）

via https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_supremacy

「量子霸權」的概念最早是在2012年，由加州理工學院量子理論學家、量子計算的教父級人物John Preskill首先提出，其意義是：量子計算機可以完成任意一件經典計算機無法完成的任務，而不論這項任務本身是什麼，是否有實際的意義。

John Preskill.image:Caltech.edu

早先時候實現量子霸權的門檻是49個量子比特，2017年10月，IBM在常規的超級計算機上成功模擬出了56個量子比特的量子計算機，將量子霸權的門檻提高到56個量子比特（但這個模擬器並沒有得到國gu際ge同行的認可）。

其次，讓我們回到現實吧。

目前為止，儘管英特爾，IBM，谷歌都「宣布」自己擁有相當程度上可行的量子計算機（阿里巴巴擁有11-qubits的雲量子計算機），甚至在CES上展示過晶元和硬體，但都沒有發布真正足夠獲得認可的關鍵性能數據，我們可以非常大膽的認為這些量子計算機的工作能力都不夠可靠。

顯然大家都開始搞起qubit數量大戰。

事實上，谷歌Quantum AI實驗室John Martinis領導的小組曾在9-qubit晶元得到過近乎完美的數據，不僅單qubit操作可靠性上達到99.9%，其雙qubit操作的可靠性更是高達99.4%，但是顯然量子晶元的生產良率隨著qubit數量的增加而急劇下降，到了49-qubit、72-qubit，強如英特爾、谷歌也只能划水了。

谷歌量子計算機背後的男人

John Martinis.image:wired.com

之所以99%這個數字這麼重要在於，物理qubit（實際存在的qubit）的操作可靠性太低，壽命太短，無法滿足計算需求，因此需要多個物理qubit去模擬一個邏輯qubit，而99%的操作可靠性正是實現邏輯qubit的門檻。

那麼，怎樣才能稱為量子霸權/quantum supremacy？

1、這塊晶元的每個物理qubit必須擁有預期的可靠性及壽命，足夠領我們得到一個可以存儲任意時長的邏輯量子比特，以此證明容錯量子計算的可行性；

2、運行至少50-qubit的Bosson Sampling演算法，或是其他能實現PB級別的數據操作的演算法；

這樣，從實際上證明這台機器能夠幫助我們解決一個任何已有經典計算機都無法執行的計算任務，就能說明這台量子設備真的有量子霸權/quantum supremacy。

但，目前來看，現實實際可用並且能夠工作的是僅僅擁有20-qubit的量子計算機。

和經典計算機相比，如果寫了一個量子電路模擬器，我們基本可以在筆記本電腦上處理任何電路深度的30比特電路；擁有一個中端伺服器，你可以模擬到35個量子位；而一台超級計算機模擬達到45個量子位。

SO，冷靜下來，量子霸權的確是一個值得追求的目標，甚至可以說是人類文明的里程碑，但在我們到達之前，不妨懷著希望靜候。

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