解释：什么是量子霸权？

量子霸权是计算领域寻求已久的里程碑，现在谷歌宣布已经实现。看看这个概念背后的科学，真正实现了什么，还有多少。

美国加利福尼亚州圣巴巴拉实验室的谷歌量子计算机的一个组件。 （路透社照片）

本周，谷歌宣布实现了一项名为 量子霸权 在计算中。这是什么意思，为什么它很重要？

那么，什么是量子霸权？

这是加州理工学院理论物理学教授约翰·普雷斯基尔 (John Preskill) 于 2012 年提出的一个术语。它描述了量子计算机可以做经典计算机不能做的事情的点。在谷歌的案例中，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员声称已经开发出一种处理器，该处理器需要 200 秒才能完成传统计算机需要 10,000 年的计算。

但什么是量子计算机？

我们的传统计算机基于经典物理学定律工作，特别是利用电流。另一方面，量子计算机试图利用支配原子和亚原子粒子行为的定律。在那个微小的尺度上，许多经典物理学定律不再适用，而量子物理学的独特定律开始发挥作用。

近四年来，开发这样的计算机一直是科学家的目标。 1981 年，物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 写道： 在我看来，试图找到物理学的计算机模拟是一个很好的计划……大自然不是经典的……如果你想模拟大自然，你最好让它成为量子力学，天哪，这是一个很好的问题，因为它看起来并不那么容易。

这样的模拟会有什么不同？

这是关于处理速度。让我们看看经典计算机如何处理信息。信息位存储为 0 或 1。每一个这样的数字串（位串）代表一个唯一的字符或指令；例如，01100001 代表小写的 a。

在量子计算机中，信息存储在量子位或量子位中。并且一个量子位可以同时为 0 和 1。量子物理学涉及的概念甚至连物理学家都形容为奇怪。与经典物理学不同，一个物体可以同时存在于一个地方，量子物理学着眼于一个物体在不同点的概率。以多种状态存在称为叠加，这些状态之间的关系称为纠缠。

量子比特的数量越多，存储在其中的信息量就越大。与以相同位数存储的信息相比，以量子位为单位的信息呈指数增长。这就是量子计算机如此强大的原因。然而，正如加州理工学院的 Preskill 在 2012 年所写的那样，由于难以准确控制量子系统，因此构建可靠的量子硬件具有挑战性。

美国加利福尼亚州圣巴巴拉实验室的 Sundar Pichai 和 Google 的一台量子计算机。 （路透社照片）

这是谷歌取得的成就吗？

研究人员展示了量子计算机的能力。他们用谷歌的量子计算机 Sycamore 构建了一个 54 量子位的架构。虽然其中一个没有执行，但其他 53 个量子位被纠缠成叠加态。

该团队组成了一个由大约 1,000 次操作组成的随机序列。每次他们运行这个随机算法时，量子计算机都会产生一个比特串。

现在，某些位串比其他位串更有可能出现，并且可以确定哪些位串更有可能出现。然而，随机量子电路越复杂，经典计算机就越难识别更可能的位串——而且难度呈指数级增长。谷歌在一封电子邮件中表示，当他们证明量子处理​​器只需要 200 秒就可以计算出一个超级复杂的随机算法，而最快的超级计算机需要 10,000 年时，他们就取得了优势。

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那么，这样做有什么好处呢？

没有，就实际应用而言。执行的任务对于这个里程碑来说并不是非常重要；来自谷歌的电子邮件说，更多的是关于里程碑首先发生的事实。它引用莱特兄弟作为类比：为了让他们证明航空是可能的，飞机飞往哪里、在哪里起飞和降落并不重要，但它完全能够飞行。

大家信服了吗？

IBM 对谷歌关于其量子计算无法由传统计算机执行的断言提出异议。在一篇博客文章中，IBM 声称谷歌研究人员描述的计算可以在不到两天半的时间内由现有计算机完成，而不是 10,000 年。

顺便说一句，IBM 本身在周四宣布了量子计算的突破。 IBM 在其网站上表示，其研究人员在控制单个原子的量子行为方面取得了突破，展示了用于量子计算的多功能新构建块。该论文发表在《科学》杂志上。 Google 的研究发表在 Nature 上。

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接下来是什么？

科学家们正在寻求改进他们的工作，包括检测和修复错误。加州大学圣巴巴拉分校指出，该研究已经实现了一种非常真实的生成随机数的工具。随机数可用于各种领域——包括保护用于解密的加密密钥，这对政府来说可能是一个潜在的棘手问题。

量子计算机有朝一日可能会导致科学研究和技术的巨大进步。有望获得收益的领域包括人工智能和新药疗法。然而，这一切还有很长的路要走。

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