谷歌團隊刊發在NASA官網上的論文中宣稱已實現量子霸權，但隨後被刪除。量子計算機的計算力量到底有多恐怖？何時能替代傳統計算機？

編輯/吉菁菁 供圖/視覺中國（除署名外）

新媒體編輯/陳炫之

據外媒報道，谷歌研發團隊日前在一篇論文中稱，他們已經實現了量子霸權。雖然這篇刊發在美國國家航空航天局（NASA）官網上的論文隨後又被刪除，但已經吊足了大家的胃口。

根據提前洩露的論文內容，谷歌已經能夠利用一臺53量子位元的量子計算機實現傳統架構計算機無法完成的任務。這一量子計算機在3分20秒內完成特定任務的運算，如果讓目前世界排名第一的超級計算機——美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Summit執行同樣任務需要大約一萬年時間。兩相比較，研究人員認為，相對於所有已知的經典演算法而言，這種驚人的速度證明了計算效能上"量子霸權(quantum supremacy) "的實現，預示著人們期待已久的量子計算正規化的到來。

不過，這一訊息還需要確認，因為谷歌的研究論文於本週先提交至NASA官網，但隨後被刪除。據報道論文從NASA被撤下的原因是，該研究還沒有經過同行評審，按慣例，學術成果應首先在學術期刊發表，才能用於新聞和福斯傳播。在學術期刊發表的前提又是需經同行專家評審，而且評審過程一般需要數週或者數月時間。

儘管如此，從披露的研究內容來看，預示著量子科學進入了一個全新階段，而且如果論文通過審議並順利發表，說明量子計算真的形成和實現了量子霸權，也對傳統計算機中的超級計算機（超算）也實現了全面和大規模的超越。從3分20秒完成超算1萬年才能完成的任務，是實現了8個數量級的跨越（1萬年有5.256億分鐘），同時也打破了摩爾定律。

摩爾定律是指，傳統計算機的晶片算力每18個月效能翻倍。這種翻番當然也是指數級的，但是量子計算機更牛，是雙指數快速增長，即增長不是按2的冪增長，而是按2的冪的冪增長。

這個概念是谷歌量子人工智慧實驗室主任哈特穆特·內文（Hartmut Neven）在2019年5月的谷歌量子春季研討會上首次提出的，而且預言量子霸權會在2019年內實現。量子計算機以雙指數增長超越計算機的過程是兩個指數因子相互組合的結果，表現為，量子計算機比經典計算機具有先天的指數優勢。如果一個量子電路有4個量子位元，那麼一個16位元的經典電路才能與其計算能力等效；同時第二個指數因子源於量子處理器的快速演進。

簡單地說，量子霸權的實現就是量子計算機全面碾壓超算，以3分20秒比1萬年，前者的計算能力和效能是後者的1.75億倍。而且，量子計算是結合了過去半個世紀以來兩個最大的技術變革，一是資訊科技，二是量子力學。使用量子力學的規則替換傳統計算機二進位制邏輯來計算，就可以攻克許多難以完成的計算任務。

如果量子計算機全面替代傳統計算機，則意味著今天計算機的三條原則將會改變。這三條原則是：

（1）以二進位制的邏輯基礎來實現數字運算，以保證精度；

（2）利用電子技術來實現控制，邏輯運算和算術運算，以保證計算速度；

（3）採用把計算功能和二進位制數更新存貯的功能相分離的結構。

但是，量子計算或量子霸權有什麼用呢？

其一，如果進入實用，可以實現數百個量子位元相干操縱的專用型量子計算系統，應用於具有實用價值的組合優化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物研發等。其二，進入到通用可程式設計的量子計算機階段，能夠相干操縱數億量子位元，實現可容錯的量子計算機，能在經典密碼破解、大資料搜尋、人工智慧等方面發揮巨大作用。

從總體上看，如果能實現這些目標，就意味著人類已經圓夢量子計算機，將實現第二次資訊革命，全面進入量子資訊時代。

以藥物研發而言，現在每一種新藥都要投入鉅額資金和較長時間，但是，如果引入量子計算，則可以大大加快新藥研發過程。新藥研發的前期工程極為艱鉅和繁雜，需要對數以千萬計和上億化學物質和分子進行篩選。過去，傳統的方法對大量的化學物質和分子進行人工計算，以及靠傳統計算機進行篩選。

▲德勤公司（Deloitte）在釋出的《2019全球生命科學展望》分析報告指出，推動一款新藥上市的成本高達21.68億美元。以2018年FDA共批准59款新藥計，它們的總成本足以向火星上傳送51輛登陸探測車。

但是，如果量子計算機進入實用後，波士頓諮詢（BCG）援引部分製藥行業的高管預估，量子模擬可將藥物發現率提高5%-10%，並節省15%-20%的研發時間。

按照美國塔夫茨藥物研發中心的評估，現代平均一種新藥或疫苗從臨床前靶點篩選到最終上市，平均至少13.5年，而且還不算靶點確認階段的時間，其中臨床前研發所需時間為5.5年，臨床平均研發時間為8年。僅以量子計算可以節省15%-20%的時間而言，就可能把現在的藥物和疫苗研發時間提前2-3年。

同樣是塔夫茨藥物研發中心的評估，一種新藥的研發成本為10億美元，但是如果將上市後的研發費用計入，研發一個處方藥的費用最高估計可達25.6億-28.7億美元。僅以10億美元的成本計算，如果能像節省時間那樣節省15%-20%，也至少能節省1.5億-2億美元。

更樂觀的估計是，量子計算可能成倍地節省藥物和新材料的研發經費，因為在原子水平上，目前的超算無法處理大多數的模擬，量子計算則可以完成這樣的任務。如果能達到成倍節藥經費，研發一種新藥就至少可以節省5億美元，這也意味著至少有10%的公司願意為量子計算承擔費用，實際上，僅量子計算帶來的市場就有150-300億美元價值，而目前全球高效能運算（超算）的市場規模是100億美元。

不過，對於量子計算是實現了突破，也有一些專家表示懷疑。美國斯坦福大學著名量子物理學家、Q-FARM專案聯合召集人之一海登（Patrick Hayden）表示，量子霸權只是一個"模糊的里程碑"。這是在量子計算機研究論證過程中提出的一個目標性概念，如果能證明量子計算機在某個問題上計算能力遠遠超過效能最好的超算，就算實現了"量子計算機對傳統計算機的霸權"。

但是，以目前的情況看，由於論文尚未通過評審，不能就此下結論量子霸權已經到來，更不能說已經實現了量子計算對超算的終結或更新換代。

而且，即便是專家評估證明谷歌的量子計算實現了突破，但是，離實用可能還有很大的距離，樂觀地估計，量子計算機要投入實用併產生實際效應，可能至少還需要10年甚至更多的時間。

不過，應當看到的是，量子計算代表了未來，也是對傳統計算機的改朝換代，因此，全球都在對這一目標進行競爭。從美國的谷歌到國際商業機器股份公司（IBM），再到中國的阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競相建造出第一臺可實際應用的量子計算機。而且，各個科技巨頭的競爭也非常激烈。

相對於谷歌所稱的量子霸權，IBM提出了"量子優勢"的概念。該公司認為，量子優勢更有實用價值，是在一個真實應用場景，如金融服務、人工智慧（AI）、化學領域中，量子計算機可以做出比任何經典計算機要明顯優秀的工作。

另一方面，無論是量子霸權還是量子優勢，也都意味著，世界上第一臺實用的量子計算機已經在向人們招手了，量子資訊時代也真的是離人類不遠了。

參考文獻：

1.科技巨頭競逐"量子霸權"，第一財經，2019-09-23

https://new.qq.com/omn/20190923/20190923A0ND2C00.html

2.Google claims to have reached quantum supremacy，Sep 20,2019

https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17

3.A New Law to Describe Quantum Computing's Rise?

June 18, 2019

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

出品：科普中央廚房