谷歌團(tuán)隊(duì)在NASA官網(wǎng)發(fā)表的一篇論文中聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，但隨后被刪除。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有多恐怖？它們什么時(shí)候可以取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？

作者：張?zhí)熨▽谧骷遥?

新媒體編輯/陳炫智

據(jù)外媒報(bào)道，谷歌研發(fā)團(tuán)隊(duì)近日在論文中表示，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。雖然這篇發(fā)表在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)的論文后來(lái)被刪除，但已經(jīng)吊起了大家的胃口。

根據(jù)提前泄露的論文內(nèi)容，谷歌已經(jīng)能夠使用53量子比特的量子計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可以在3分20秒內(nèi)完成特定任務(wù)。美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的世界第一超級(jí)計(jì)算機(jī)—— Summit 需要大約10,000 年才能完成同樣的任務(wù)。對(duì)比兩者，研究人員認(rèn)為，這種驚人的速度證明了相對(duì)于所有已知經(jīng)典算法在計(jì)算性能上實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，并預(yù)示著期待已久的量子計(jì)算范式的到來(lái)。

在量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力面前，超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎無(wú)法比擬。 （圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

不過(guò)，這一消息仍有待證實(shí)，因?yàn)楣雀璧难芯空撐谋局苁状翁峤唤oNASA 官網(wǎng)，但隨后被刪除。據(jù)悉，該論文被NASA撤回的原因是該研究尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審。按照慣例，學(xué)術(shù)成果首先要在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表，然后才能用于新聞和大眾傳播。在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的前提是同行專家的評(píng)審，評(píng)審過(guò)程一般需要數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間。

盡管如此，從公開(kāi)的研究?jī)?nèi)容來(lái)看，這預(yù)示著量子科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，如果論文通過(guò)審核并成功發(fā)表，則意味著量子計(jì)算已經(jīng)真正形成并實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，也將擁有在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)影響很大。 （超級(jí)計(jì)算）也實(shí)現(xiàn)了全面、大規(guī)模的超越。在3 分20 秒內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一萬(wàn)年才能完成的任務(wù)，是八個(gè)數(shù)量級(jí)的飛躍（一萬(wàn)年需要5.256 億分鐘），而且還打破了摩爾定律。

摩爾定律意味著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的芯片計(jì)算能力每18個(gè)月就會(huì)翻一番。當(dāng)然，這個(gè)倍增也是指數(shù)級(jí)的，但是量子計(jì)算機(jī)更出色，以雙指數(shù)的方式快速增長(zhǎng)，即增長(zhǎng)不是按2的冪增長(zhǎng)，而是按2的冪增長(zhǎng)。

這一概念最早由谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室主任Hartmut Neven 在2019 年5 月的谷歌量子之春研討會(huì)上提出，并預(yù)測(cè)量子霸權(quán)將在2019 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)超越雙指數(shù)增長(zhǎng)計(jì)算機(jī)的過(guò)程是兩個(gè)指數(shù)因子相結(jié)合的結(jié)果，這表明量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有先天的指數(shù)優(yōu)勢(shì)。如果一個(gè)量子電路有4個(gè)量子比特，那么一個(gè)16比特的經(jīng)典電路就可以相當(dāng)于它的計(jì)算能力；同時(shí)，第二個(gè)指數(shù)因子是量子處理器快速發(fā)展的結(jié)果。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)就是量子計(jì)算機(jī)徹底碾壓超級(jí)計(jì)算機(jī)。 3分20秒對(duì)比一萬(wàn)年，前者的算力和性能是后者的1.75億倍。而且，量子計(jì)算結(jié)合了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)最大的兩項(xiàng)技術(shù)變革，一是信息技術(shù)，二是量子力學(xué)。利用量子力學(xué)的規(guī)則代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)二進(jìn)制邏輯進(jìn)行計(jì)算，可以克服許多困難的計(jì)算任務(wù)。

如果量子計(jì)算機(jī)完全取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，則意味著當(dāng)今計(jì)算機(jī)的三大原理將發(fā)生改變。這三個(gè)原則是：

(1)基于二進(jìn)制邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，保證準(zhǔn)確性；

(2)利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制、邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，保證計(jì)算速度；

(3)采用計(jì)算功能與二進(jìn)制數(shù)更新和存儲(chǔ)功能分離的結(jié)構(gòu)。

但量子計(jì)算或量子霸權(quán)有什么好處呢？

首先，如果投入實(shí)際使用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操控的專用量子計(jì)算系統(tǒng)，可以在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面具有實(shí)用價(jià)值，指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)、藥物研究其次，進(jìn)入了通用可編程量子計(jì)算機(jī)階段，可以連貫操縱數(shù)億個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等

總體而言，如果這些目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，意味著人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想，將實(shí)現(xiàn)第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時(shí)代。

在藥物研發(fā)方面，現(xiàn)在每一個(gè)新藥都需要巨大的投入和較長(zhǎng)的時(shí)間。但如果引入量子計(jì)算，新藥研發(fā)進(jìn)程可以大大加速。新藥研發(fā)的前期過(guò)程極其艱巨和復(fù)雜，需要篩選數(shù)千萬(wàn)或數(shù)億種化學(xué)物質(zhì)和分子。過(guò)去，傳統(tǒng)方法涉及大量化學(xué)物質(zhì)和分子的手動(dòng)計(jì)算以及使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的篩選。

德勤發(fā)布的《2019全球生命科學(xué)展望》分析報(bào)告指出，一種新藥推向市場(chǎng)的成本高達(dá)21.68億美元。按照FDA在2018年總共批準(zhǔn)了59種新藥的事實(shí)來(lái)看，它們的總成本足以將51輛登陸車送上火星。

不過(guò)，如果量子計(jì)算機(jī)變得實(shí)用，波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）援引一些制藥行業(yè)高管的話估計(jì)，量子模擬可以將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%至10%，并節(jié)省15%至20%的研發(fā)時(shí)間。

據(jù)美國(guó)塔夫茨藥物研發(fā)中心評(píng)估，現(xiàn)代新藥或疫苗從臨床前靶點(diǎn)篩選到最終上市平均需要至少13.5年的時(shí)間，而且這還不包括靶點(diǎn)確認(rèn)階段。其中，臨床前研發(fā)所需時(shí)間為5.5年，平均臨床開(kāi)發(fā)時(shí)間為8年。僅量子計(jì)算就可以節(jié)省15%-20%的時(shí)間，這可能導(dǎo)致當(dāng)前藥物和疫苗的研發(fā)時(shí)間提前2-3年。

根據(jù)塔夫茨藥物研發(fā)中心的同樣評(píng)估，一款新藥的研發(fā)成本為10億美元。不過(guò)，如果算上上市后研發(fā)費(fèi)用，開(kāi)發(fā)處方藥的最高成本估計(jì)為25.6億美元至28.7億美元。僅以10億美元成本計(jì)算，如果能像節(jié)省時(shí)間一樣節(jié)省15%-20%，至少可以節(jié)省150-2億美元。

更樂(lè)觀的估計(jì)是，量子計(jì)算可能會(huì)成倍地節(jié)省藥物和新材料的研發(fā)資金，因?yàn)樵谠铀缴?，?dāng)前的超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理大多數(shù)模擬，而量子計(jì)算可以完成此類任務(wù)。如果藥品節(jié)省量能夠增加一倍，開(kāi)發(fā)一種新藥至少可以節(jié)省5 億美元。這也意味著至少有10%的企業(yè)愿意承擔(dān)量子計(jì)算的成本。事實(shí)上，僅量子計(jì)算帶來(lái)的市場(chǎng)就價(jià)值15-300億美元，而目前全球高性能計(jì)算（超級(jí)計(jì)算）市場(chǎng)規(guī)模為100億美元。

然而，一些專家對(duì)量子計(jì)算是否已取得突破表示懷疑。美國(guó)斯坦福大學(xué)著名量子物理學(xué)家、Q-FARM項(xiàng)目聯(lián)合召集人之一帕特里克·海登表示，量子霸權(quán)只是一個(gè)模糊的里程碑。這是量子計(jì)算機(jī)研究和論證過(guò)程中提出的有針對(duì)性的概念。如果能夠證明量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)性能最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)，那么量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的霸權(quán)就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

但從目前的情況來(lái)看，由于該論文尚未通過(guò)審核，因此還不能斷定量子霸權(quán)已經(jīng)到來(lái)，更不能斷定超級(jí)計(jì)算將被量子計(jì)算終結(jié)或取代。

而且，即使專家評(píng)估證明谷歌的量子計(jì)算取得了突破，但距離實(shí)際應(yīng)用可能還很遙遠(yuǎn)。樂(lè)觀估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)可能至少還需要10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能投入實(shí)際應(yīng)用并產(chǎn)生實(shí)際效果。時(shí)間。

但值得注意的是，量子計(jì)算代表著未來(lái)，也是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的替代品。因此，全世界都在為這個(gè)目標(biāo)而競(jìng)爭(zhēng)。從美國(guó)的谷歌到國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM），再到中國(guó)的阿里巴巴再到騰訊，全球頂尖科技公司都在競(jìng)相打造第一臺(tái)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)。而且，各科技巨頭之間的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。

與谷歌所謂的量子霸權(quán)相比，IBM提出了量子優(yōu)勢(shì)的概念。該公司認(rèn)為，量子優(yōu)勢(shì)更具實(shí)用價(jià)值，因?yàn)樵诮鹑诜?wù)、人工智能（AI）和化學(xué)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，量子計(jì)算機(jī)可以比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)做得更好。

另一方面，無(wú)論是量子霸權(quán)還是量子優(yōu)勢(shì)，也意味著世界上第一臺(tái)實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在向人們招手，量子信息時(shí)代真的離人類不遠(yuǎn)了。