巨頭的游戲：搶占量子霸權

　　說(shuō)到量子計算，可能許多人會(huì )感到陌生，陌生的并不是沒(méi)有聽(tīng)過(guò)這個(gè)詞語(yǔ)，而是不明白它到底是什么，能做哪些事情。但對于一些大公司而言，擁有敏銳嗅覺(jué)的他們已經(jīng)明白了量子計算對于未來(lái)意味著(zhù)什么。

　　疊加狀態(tài)的量子計算

　　量子計算是基于量子力學(xué)而來(lái)遠超如今計算機計算能力的一種新型計算模式，量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。

　　傳統計算機使用的信息量單位為比特(BIT)，同時(shí)也是二進(jìn)制數字中的位，信息量的度量單位，為信息量的最小單位，而量子計算機的信息量單位則為量子比特。

　　常規的比特有兩種形態(tài)，要么是“0”要么是“1”，而量子比特卻擁有不確定性，準確來(lái)說(shuō)是在于未觀(guān)測之前，其狀態(tài)是不確定的，可能是“0”也可能是“1”還有可能是“0”與“1”的疊加狀態(tài)，這也是量子力學(xué)的經(jīng)典假說(shuō)薛定諤的貓，在沒(méi)有打開(kāi)盒子之前，誰(shuí)也不知道里面的貓是生還是死，而這個(gè)時(shí)候它將處于非死非活的疊加態(tài)。

　　計算力質(zhì)的飛躍

　　那么這樣相較于傳統計算機有什么優(yōu)勢呢，由于量子不像半導體只能記錄兩種狀態(tài)，它能夠同時(shí)表示多種狀態(tài)，舉個(gè)例子，如果把半導體比作為單一樂(lè )器的話(huà)，量子計算機就像是交響樂(lè )團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，只需要一個(gè)40量子比特的計算機，就能夠在很短的時(shí)間內解開(kāi)1024為計算機花上數十年才能解決的問(wèn)題。

　　量子計算主要應用于復雜的大規模數據處理，以及量子加密的網(wǎng)絡(luò )安全服務(wù)。隨著(zhù)人工智能在各行業(yè)不斷落地深入，對算力的要求也大幅提升，量子計算可以進(jìn)行高速并行計算的優(yōu)勢，便尤為凸顯。

　　近日，在美國洛杉磯舉行的美國物理學(xué)年會(huì )上，Google發(fā)布了72量子比特的量子處理器“狐尾松”(Bristlecone)，稱(chēng)這一設備未來(lái)可實(shí)現“量子霸權”(quantum supremacy)?！昂菜伞笔枪雀璐饲?量子比特處理器的擴展版本，采用了相同方案進(jìn)行耦合、控制和讀出，但被擴展為72個(gè)量子比特的陣列。

　　量子霸權

　　這里面有一個(gè)重要的概念便是“量子霸權”，即它可以在一個(gè)明確的計算機科學(xué)相關(guān)的問(wèn)題上具有超越經(jīng)典的超級計算機的表現。從計算復雜度理論的角度來(lái)看，這意味著(zhù)超過(guò)目前最佳經(jīng)典算法的超多項式加速。

　　舉個(gè)例子，在區塊鏈中，尤其是基于區塊鏈技術(shù)而設計的比特幣上，其挖掘有一個(gè)特性，那便是在某個(gè)“礦工”達到整個(gè)挖掘運算中51%算力的時(shí)候，產(chǎn)出的比特幣一定會(huì )被他所獲得，這樣便打破了比特幣發(fā)行所謂的公平性。

　　其次，由于量子計算在密碼破解上有巨大潛力。當今主流的非對稱(chēng)(公鑰)加密算法，如RSA加密算法，大多數都是基于大整數的因式分解或者有限域上的離散指數的計算這兩個(gè)數學(xué)難題。他們的破解難度也就依賴(lài)于解決這些問(wèn)題的效率。

　　在傳統計算機上，要求解這兩個(gè)數學(xué)難題，需要花費的時(shí)間是指數級，即破解時(shí)間隨著(zhù)公鑰長(cháng)度的增長(cháng)以指數級增長(cháng)。而量子計算機中的秀爾算法可以在多項時(shí)間內進(jìn)行整數因式分解或者離散對數計算，即破解的時(shí)間隨著(zhù)公鑰長(cháng)度的增長(cháng)以K次方的速度增長(cháng)，而K為與公鑰長(cháng)度無(wú)關(guān)的常數。這便是一種量子霸權。

　　進(jìn)軍量子計算的國內外巨頭們

　　除了Google之外，美國的Intel、IBM等都在量子計算方面投入巨資大力研發(fā)。IBM在這個(gè)領(lǐng)域中鉆研最深，而Intel在今年CES上宣布將量子計算作為未來(lái)發(fā)展的主題之一。

　　不只國外對于量子計算情有獨鐘，國內也在這片領(lǐng)域下了重注。近日，百度宣布成立量子研究所，計劃在五年內建成世界一流水準，并逐步將量子計算融入到業(yè)務(wù)中。

　　除了百度之外，騰訊與阿里也早早在此布局，騰訊與百度相同，都是采取自建量子實(shí)驗室的模式，而阿里則是與中科院展開(kāi)合作，在其共有云之上啟動(dòng)超導量子計算服務(wù)，相關(guān)處理器擁有11量子位。

　　不過(guò)從中也能看出，在量子計算機核心的處理器上，我們自PC時(shí)代便一直落后于美國。阿里與中科院聯(lián)合研制的首個(gè)超導量子處理器也只有11個(gè)量子比特，與IBM成功研制的20量子比特的量子計算機，包括對外展示的50量子比特原型機，以及Intel在CES上宣布的制造的49量子比特超導測試芯片，Google即將推出的72量子位的量子計算機相比，仍然有極大的差距。

　　小結

　　量子通信和量子計算機是我國規劃的科技創(chuàng )新2030重大項目，也是國家實(shí)驗室最早部署的研究領(lǐng)域之一。但是，就如今這種情況而言，全球范圍對量子霸權的競逐已經(jīng)來(lái)到了白熱化階段。我國雖然已經(jīng)在很早就開(kāi)始著(zhù)手量子計算方面的研究，但眼下的差距依然不是短時(shí)間就能彌補的。

　　知道差距的存在，更應該奮起直追。而在這個(gè)領(lǐng)域中，底層技術(shù)的積累是非常緩慢的，無(wú)法如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)那樣借助人口紅利迅速發(fā)展，所以這一切都要看國內的研究機構與公司的共同努力，這場(chǎng)戰斗不會(huì )那么輕松。