摘要：随着为其提供支持的技术的改进，量子计算机正在不断壮大，但它们的实用性还没有达到在实际方面超越最好的超级计算机的程度。 （图片来源：John D via Getty Images）

我们可能正处于量子霸权的风口浪尖。但这实际上意味着什么呢？

随着为其提供支持的技术的改进，量子计算机正在不断壮大，但它们的实用性还没有达到在实际方面超越最好的超级计算机的程度。 （图片来源：John D via Getty Images）

量子计算机有望解决一些最强大的超级计算机无法解决的问题。达到这一里程碑被称为“量子霸权”。

但量子霸权是否已经实现，以及它对该领域意味着什么，仍未确定。

“量子霸权”一词由加州理工学院理论物理学教授约翰·普雷斯基尔 （John Preskill） 于 2012 年创造，用于描述量子计算机可以做经典计算机无法做的事情。

跨过这一门槛已成为正在构建大规模量子计算机的科技公司的指路明灯。2019 年，在《自然》杂志上发表的一篇论文中，谷歌率先宣布它已经实现了量子霸权。近年来，其他团体也提出了类似的说法。

然而，在研究人员开发了与量子计算机并驾齐驱的新型经典算法后，其中一些断言（包括 Google 的断言）后来被拒绝了。

此外，芝加哥大学计算机科学助理教授威廉·费弗曼 （William Fefferman） 说，量子霸权实验主要集中在没有明显实际应用的问题上，这表明有用的量子计算机可能还有一段路要走。尽管如此，他补充说，这个想法有助于推动该领域的进步，并将成为迈向更强大机器的重要跳板。

“你需要先走路，然后才能跑步，”Fefferman 说。“我认为没有人有一个完美的路线图来说明如何从以真正决定性的方式实现量子优势，到下一步解决近期量子计算机上的有用问题。但我相信这是这个过程的第一步。

理论计算机科学家发现了几种量子算法，这些算法原则上可以比经典算法更快地解决问题。这是因为它们可以利用纠缠和叠加等量子效应来非常有效地编码数据，并并行处理比经典计算机更多的计算。但是，以足够的规模实现量子比特以显示出优势所需的量子比特数量（相当于比特的量子比特）远远超出了当今量子处理器所能提供的数量。

因此，证明量子霸权的努力集中在旨在有利于量子计算机的高度人为的问题上。Google 2019 年的实验涉及一个 54 量子比特处理器执行一系列随机运算。尽管输出从根本上毫无用处，但研究人员估计，在橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机（当时世界上最强大的经典机器）上模拟这个过程大约需要 10,000 年。

牛津大学（University of Oxford）量子技术教授西蒙·本杰明（Simon Benjamin）说，这是因为量子力学的不寻常特性意味着，随着这些系统越来越大，在经典计算机上模拟这些系统很快就会变得棘手。“这并不是说量子计算机是神秘、神奇的东西，”他说。“我们知道他们遵守的方程式。但是当你考虑更大的方程式时，经典计算机跟踪这些方程式变得越来越困难。

这是由于叠加的量子现象。经典计算机中的位只能表示 1 或 0，而量子比特可以同时编码两种状态的复杂混合。至关重要的是，多个量子比特可以位于共享叠加中，这意味着量子系统可以同时表示量子比特值的所有可能组合。

Benjamin 解释说，这意味着描述两个量子比特需要四个数字来涵盖系统的所有可能状态。对于每个额外的量子比特，表示量子计算机状态所需的经典比特数就会增加一倍。“我们发现自己很快就达到了大数字，”他说。

Benjamin 说，为了了解问题的扩展速度，可以在一台好的笔记本电脑上舒适地模拟 30 量子比特系统。使用 40 个量子比特，您需要一台大学规模的超级计算机，而使用大约 46 个量子比特，您将达到世界上最强大的经典计算机的极限。

但是，这些估计值指的是准确模拟完美量子系统的挑战。实际上，当今的量子计算机极易出错，这为经典算法提供了捷径。2022 年，中国科学院的一个小组表明，一台大学规模的超级计算机可以在短短几个小时内模拟谷歌 2019 年的量子实验，部分原因是为了速度而牺牲了准确性。

其他量子霸权主张也遇到了类似的挑战。中国科学技术大学的一个小组在 2021 年的一篇论文中声称，他们在 144 量子比特基于光的量子计算机上进行的随机采样操作将超越任何经典机器。但 Fefferman 表示，他的团队已经证明，他们可以利用系统中的噪声在不到一个小时的时间内模拟实验。他补充说，同样的方法应该能够模拟初创公司 Xanadu 在 2022 年宣布的类似量子霸权实验。

据 Fefferman 所知，目前仍有两个量子霸权实验。2023 年，谷歌使用 70 量子比特处理器扩展了该公司之前的成果，而 2024 年，Quantinuum 声称其 56 量子比特 H2-1 量子计算机已经跨越了里程碑。但是，如果开发出可以在未来快速模拟这些实验的经典方法，Fefferman 不会感到惊讶。“我没有屏住呼吸，”他说。

Fefferman 说，量子霸权的最终实现需要显著降低量子硬件的误码率，或者更好地从理论上理解经典方法可以利用什么样的噪声来帮助模拟容易出错的量子计算机的行为。

但他补充说，量子和经典方法之间的这种来回切换有助于推动该领域向前发展，从而形成一个良性循环，帮助量子硬件开发人员了解他们需要改进的地方。

“由于这个周期，实验有了显着的改进，”Fefferman 说。“作为一名提出这些经典算法的理论家，我希望最终我不能再这样做了。”

本杰明说，虽然不确定量子霸权是否已经实现，但很明显我们正处于它的风口浪尖。但重要的是要记住，达到这一里程碑在很大程度上将是一项学术和象征性的成就，因为正在解决的问题没有实际用途。

“粗略地说，我们正处于那个阈值，但这不是一个有趣的阈值，因为在它的另一边，没有什么神奇的事情发生，”本杰明说。“量子计算机不会突然变得有用。”

这就是为什么该领域的许多人将精力重新集中在一个新目标上：展示“量子效用”，或者说在实用问题上表现出比经典计算机显着加速的能力。一些小组，包括 IBM 的研究人员，希望即使是今天容易出错的量子计算机也能在短期内在某些特定问题上实现这一目标。

Google 最近还展示了实现容错量子计算的一个关键里程碑。它的“Willow”量子处理器是第一个消除的错误多于在增加逻辑量子比特中的物理量子比特数量时引入的错误。这意味着指数级错误减少和实现无差错量子计算的可能途径。

但 Benjamin 表示，该领域越来越一致地认为，除非我们拥有容错量子计算机，否则无法实现这一里程碑。他说，这将需要量子处理器的量子比特比特比我们今天多得多，因为研究最充分的量子纠错码需要大约 1,000 个物理量子比特才能产生单个容错或逻辑量子比特。

由于当今最大的量子计算机刚刚突破 1,000 量子比特大关，这可能还有一段路要走。“我乐观地认为这样的量子计算机最终会存在，但我对它会在未来 5 年或 10 年内存在持悲观态度，”Fefferman 说。

来源：豆豆说科学