19世紀的最後一天，英國著名物理學家開爾文男爵回顧物理學發展時說：“物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。”他在展望20世紀物理學前景時，卻若有所思：“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了，第一朵烏雲出現在光的波動理論上，第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。”前者促成了愛因斯坦的相對論，而後者推動了量子論的誕生。
人們對量子計算領域的發展看法各異，支持者認為量子計算機進步一日千里，有朝一日必將舉世無敵。而反對者則堅信經典計算機尚有潛力，無法代替。究竟是舊王已死，新王當立？還是老驥伏櫪，志在千里？Google量子計算機能否實現量子霸權？又能否直面圖靈理論的挑戰？時間會給我們答案。
原文來自Medium，作者Ethan Siegel
上個月（2019年9月）有消息爆出科技巨頭Google研發的新型量子計算機已實現量子霸權。儘管如今的筆電電腦，智能手機和超級計算機功能強大，但仍有許多複雜的未解之謎，其算力要求是現有設備望塵莫及的。
如果有了量子計算機，這些難題將迎刃而解。量子計算擁有的計算能力超越所有經典計算機，就視作量子霸權。Google真的做到了嗎？讓我們來一探究竟。
圖注：固態存儲設備基於數字電路的通電和斷電兩種狀態實現運算。對電路來說，表現為0或1。微觀量子構成量子比特，量子疊加使得量子比特可同時處於0和1狀態。
經典計算機的原理很簡單，可以追溯到圖靈算法和圖靈機的概念。通過將信息編碼為比特（bits，即0和1），然後添加指令（例如與、或、非等）進行計算。計算的複雜程度取決於問題難度。理論上講，只要一種算法能成功執行計算，不考慮計算成本，都可以將其編程到經典計算機。
與之不同的是量子計算機使用量子比特（qubits：量子比特與經典比特相似，只是增加了物理原子的量子特性）或量子（quantum，一個物理量如果存在最小的不可分割的基本部門，則這個物理量是量子化的，並把最小部門稱為量子。）模擬比特代替常規比特，而量子世界將帶來翻天覆地的變化。
圖注：這種離子阱的設計靈感來自沃爾夫岡·保羅，是離子阱用於研究量子計算機的早期實例之一。照片拍攝於2005年奧地利因斯布魯克的一個實驗室，展示了當時的量子計算機組件設置。離子阱計算機的計算速度比超導量子計算機慢得多，但它們的相乾時長（Coherence Timescale，信道保持恆定的最大時長範圍）也要更長。
量子比特不再是非黑即白的0或1，而是用基態（ground state，指在正常狀態下，原子處於最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動的這種定態）代表0，激發態（excited state，原子或分子吸收一定的能量後，電子被激發到較高能級但尚未電離的狀態）代表1。例如，電子自旋可以向上或向下，光子極化可以左旋也可以右旋。在初始狀態和讀取最終數據時，量子比特還是會以確定的0或1呈現，就像使用經典計算機的常規比特一樣。
與經典計算機不同，執行指令時量子比特的狀態並不確定，而是0和1的疊加態，類似於可以既是死的又是活的薛定諤的貓。只有計算結束並且讀出最終結果，最終狀態才得以確定。
圖注：薛定諤的貓：將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態，但是不可能存在既死又活的貓，必須在打開箱子後才知道結果。
經典計算機和量子計算機最大的差異在於預測、確定性和概率。與其他量子理論體系一樣，不能簡單憑借初始條件、算法預測出最終狀態。只能預測最終狀態的概率分布，然後通過反覆進行關鍵實驗，最後匹配並得出預期結果的分布。
可能大家會覺得模擬量子活動必須使用量子計算機，其實非也。圖靈機或者一台經典計算機一樣可以做到。
圖注：算力允許的情況，計算機程序可以窮舉分析已有的梅森素數，檢驗其是否是一個完全數。對於小數字，這種運算在傳統計算機可以輕鬆實現，但大數字就要求極高的算力。
這就是計算機科學當中最具影響的理論之一，圖靈原理。圖靈認為只要某個問題能由圖靈機解決，也就一定可以由其他計算設備解決，可以是筆電電腦、智能手機、超級計算機甚至是量子計算機。任一設備能夠解決的問題也可以在其他設備上得到解決。如今圖靈理論已被普遍接受，只是對計算速度或者效率隻字未提，也就忽略了量子霸權。
圖靈理論的延伸更具爭議。該理論認為圖靈機始終能夠高效地模擬任意計算模型，哪怕是量子計算。只要有一個反例，證明量子計算機效率遠高於經典計算機，就可以證明量子霸權的存在。
圖注：IBM的四量子比特方陣電路可謂是量子計算領域的集大成者，其算力假以時日有望模擬整個宇宙。如今量子計算仍處於起步階段，如果現在就能驗證量子霸權，將是量子領域的又一座豐碑。
眾多科研團隊各自為戰，希望設計出一款性能遠超經典計算機的量子計算機。這並非是白日做夢，因為經典計算機的所有信息處理都要經過多種經典運算，包括熟悉的與、或以及非等等。
而量子計算機處理的是量子比特，除了經典運算之外，還可以進行量子運算。這種計算的運行條件也可以應用在經典計算機，只不過運算成本高昂。另一方面，只要運算時間明顯短於量子比特的相乾時長，這種計算對量子計算機不費吹灰之力。
圖注：量子計算機中處於激發態的量子比特將在相乾時間後退回基態，此時如果計算沒有全部完成，則會造成計算錯誤。
有鑒於此，Google在NASA網站上發表了相關論文（也可能是最終論文的草稿）之後不久，又將其刪除，不過許多科學家還是閱讀和下載了這篇文章。雖然現在尚不清楚他們的成果會有何影響，這裡給大家提供一種思路。
試想，有5個比特或量子比特的信息，顯示為0或者1，他們的起始狀態都是0，但我們想把其中兩個比特或量子比特激發為1。如果可以完全控制這些比特或者量子比特，比如將1號比特與3號比特激發為1，最終它就變成了10100。接著可以添加隨機指令，從而得到對應的概率分布結果。
圖注：如圖所示是一個九量子比特量子電路，灰色區域代表鋁板，深色區域表示鋁被蝕刻的部分，各種顏色用於區分不同的電路元件。此類計算機使用超導量子比特，必須在毫開爾文級溫度（degree kelvin，開爾文溫度和人們習慣使用的攝氏溫度相差一個常數273.15，即T=t+273.15（t是攝氏溫度的符號））下保持極低溫，且運行時長需遠低於50微秒。
Google為實現量子霸權採用特殊協議，要求執行運算之後，已被激發的比特或量子比特數量保持不變。由於運算是完全隨機的，激發態和基態是可以互相轉化的，只要保證五個量子比特仍是由兩個1和三個0組成。除非完全執行隨機操作並且以純量子運算的編程方式實現，那麽5個量子比特的10種最終狀態將會均勻分布，即11000，10100，10010，10001，01100，01010，01001，00110，00101和00011。
但是真正意義上的量子計算機不會得出平坦分布（flat distribution）。某些狀態在最終結果出現的頻率會更高。這是一種非常典型的反直覺結果，源自量子現象（quantum phenomena，量子力學的一些特性顯示出來的現象）以及純量子門（quantum gate，一個基本的，操作一個小數量量子比特的量子線路）的自身特性。這種現象同樣也可以模擬，只是需要投入巨大的計算成本。
圖注：以10100開始實驗，並經過10次耦合脈衝（coupler pulse，比如量子運算），10種狀態並不會均勻分布，而且有極端高值。根據量子計算機結果，即可確定其是否符合預期的量子活動。
即使在量子計算機僅使用經典比特門（classical gate），仍然無法擺脫量子效應（quantum effect，在超低溫等特殊條件下，由大量粒子組成的宏觀系統呈現出的整體量子現象）。儘管我們看到實際的概率分布並不均勻，某些狀態顯著高於預想中的10%，而另一些則低於10%。這些極值的出現源於典型的量子現象，而極值出現的概率本身就是量子活動的重要標誌。
在量子計算領域，至少有一個最終狀態出現概率極低，而且同樣遵循特定的波特·托馬斯分布（porter-thomas distribution）。如果量子計算機狀況良好，就可以執行任意多次運算，再讀取結果查看是否符合預期的分布情況。
圖注：波特·托馬斯分布，圖中所示為第5、6、7、8、9量子比特在特定量子比特數量與可能狀態下得出指定運算結果的概率。直線代表預期的量子結果。如果運行量子電路總時間過長，結果則會與經典計算機一致，比如圖中綠線，也不再符合波特·托馬斯分布。
目前的量子計算機還存在許多問題。無論是Google的超導量子比特，還是量子點或者離子阱式計算機，所有量子系統都要考慮相乾時間，指特定量子比特能夠一直保持激態的時間。之後量子比特將衰減為0。
量子運算必須精確把控時間，即門時間（gate time）。相比相乾時長，門時間必須非常短，否則最終狀態就不是想要的結果。與此同時，量子比特越多，設備越複雜，而出錯誤串擾的可能性就越高。為了得到準確的結果，必須在退相乾之前，將所有量子門應用於整套量子比特。
超導量子比特目前的穩定時間僅在50微秒左右。在約20納秒的門時間內，最多也只能進行幾十次計算，隨後退相乾就會干擾實驗，帶來令人避之不及的平坦分布，設計的量子活動也不複存在。
圖注：理想化的五量子比特設置，1號和3號量子比特初始設為激發態，經歷10次獨立的脈衝（量子門）然後得到最終結果。如果通過量子門的總時間比退相乾時間短得多，就能夠獲得與預期相符的量子計算結果。
可惜Google科學家使用53量子比特計算機解決的問題只能算是繡花枕頭。特殊的設置僅適用於量子計算機，但對經典計算機來說消耗巨大。具體方法是構建一套含有n個量子的比特系統，卻需要佔據經典計算機2^n的記憶體模擬，而且專門挑選經典計算機計算成本高的運算指令。
原始算法由一個科學家小組提出（其中有數位Google團隊的現任成員），提出實現量子霸權至少需要一台72量子比特計算機。由於72量子比特尚未實現，所以大家只好選擇53量子比特計算機，同時用fSim門（CZ同iSWAP門的結合體）替代原本易於模擬的量子門CZ，而fSim門在經典計算機上的模擬成本也更高。
圖注：量子門類型不同，精度（無錯門的百分比）也不同，經典計算機所需的計算成本也不同。選擇CZ門實現量子霸權需要72量子比特。而iSWAP門只需要53量子比特。
許多圖靈理論的忠實擁躉認為只要算法足夠先進，此類問題在經典計算機上的計算時間也會縮短。雖然前途難測，但這或許能成為量子霸權理論的又一潛在對手。
不過Google已經實現了量子霸權，量子計算機計算這個特定數學問題的速度遠遠超過美國最先進的超級計算機。而量子霸權的真正出現，將實現高性能量子化學與量子物理學計算，替代經典計算機以及對任意數字運行舒爾算法（Shor’s algorithm，給定一個整數N，找出它的質因數）。
量子霸權的可實現並不意味著這項技術已經完全成熟。對於分解一個20位的半質數，谷歌的量子計算機束手無策，而隨手一台筆電用幾毫秒就能完成。
圖注：Sycamore處理器是一個包含54量子比特的矩形陣列（因為有一個量子比特無法使用，也就是一款擁有53個有效量子比特的系統），耦合器將鄰近的4個量子比特連結。上圖展示Sycamore芯片尺寸和顏色。
量子計算成果喜人，毫無疑問更高量子比特數的系統已指日可待。量子糾錯也需要更多量子比特並解決其他一系列複雜的問題，比如延長相乾時長並執行更深層次的計算。
Google團隊自己也說：
我們的實驗證明可能圖靈理論存在問題。量子處理器在多項式時間內能夠完成對一個隨機的量子電路采樣，然而經典計算機目前還無法做到。
隨著第一台可編程量子計算機的誕生，通過量子比特處理經典計算機無能為力的特定任務，正式宣告量子霸權的到來。Google團隊之後將發布更為詳盡的實驗結果，這項成就無疑會被載入史冊。量子計算的研究之路漫漫修遠，仍需吾輩上下而求索。
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室