谷歌團隊刊發(fā)在NASA官網(wǎng)上的論文中宣稱已實現(xiàn)量子霸權，但隨后被刪除。量子計算機的計算力量到底有多恐怖?何時能替代傳統(tǒng)計算機?

撰文/張?zhí)锟?專欄作者)

新媒體編輯/陳炫之

據(jù)外媒報道，谷歌研發(fā)團隊日前在一篇論文中稱，他們已經(jīng)實現(xiàn)了量子霸權。雖然這篇刊發(fā)在美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng)上的論文隨后又被刪除，但已經(jīng)吊足了大家的胃口。

根據(jù)提前泄露的論文內(nèi)容，谷歌已經(jīng)能夠利用一臺53量子比特的量子計算機實現(xiàn)傳統(tǒng)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(nèi)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(zhí)行同樣任務需要大約一萬年時間。兩相比較，研究人員認為，相對于所有已知的經(jīng)典算法而言，這種驚人的速度證明了計算性能上“量子霸權(quantum supremacy)”的實現(xiàn)，預示著人們期待已久的量子計算范式的到來。

▲在量子計算機游刃有余的強大算力前，超級計算機幾乎無法與之相提并論。(圖片來自網(wǎng)絡)

不過，這一消息還需要確認，因為谷歌的研究論文于本周先提交至NASA官網(wǎng)，但隨后被刪除。據(jù)報道論文從NASA被撤下的原因是，該研究還沒有經(jīng)過同行評審，按慣例，學術成果應首先在學術期刊發(fā)表，才能用于新聞和大眾傳播。在學術期刊發(fā)表的前提又是需經(jīng)同行專家評審，而且評審過程一般需要數(shù)周或者數(shù)月時間。

盡管如此，從披露的研究內(nèi)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并順利發(fā)表，說明量子計算真的形成和實現(xiàn)了量子霸權，也對傳統(tǒng)計算機中的超級計算機(超算)也實現(xiàn)了全面和大規(guī)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(xiàn)了8個數(shù)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(tǒng)計算機的芯片算力每18個月性能翻倍。這種翻番當然也是指數(shù)級的，但是量子計算機更牛，是雙指數(shù)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能實驗室主任哈特穆特·內(nèi)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(nèi)實現(xiàn)。量子計算機以雙指數(shù)增長超越計算機的過程是兩個指數(shù)因子相互組合的結果，表現(xiàn)為，量子計算機比經(jīng)典計算機具有先天的指數(shù)優(yōu)勢。如果一個量子電路有4個量子比特，那么一個16比特的經(jīng)典電路才能與其計算能力等效;同時第二個指數(shù)因子源于量子處理器的快速演進。

簡單地說，量子霸權的實現(xiàn)就是量子計算機全面碾壓超算，以3分20秒比1萬年，前者的計算能力和性能是后者的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，一是信息技術，二是量子力學。使用量子力學的規(guī)則替換傳統(tǒng)計算機二進制邏輯來計算，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(tǒng)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)以二進制的邏輯基礎來實現(xiàn)數(shù)字運算，以保證精度;

(2)利用電子技術來實現(xiàn)控制，邏輯運算和算術運算，以保證計算速度;

(3)采用把計算功能和二進制數(shù)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么用呢?

其一，如果進入實用，可以實現(xiàn)數(shù)百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統(tǒng)，應用于具有實用價值的組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物研發(fā)等。其二，進入到通用可編程的量子計算機階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實現(xiàn)可容錯的量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

從總體上看，如果能實現(xiàn)這些目標，就意味著人類已經(jīng)圓夢量子計算機，將實現(xiàn)第二次信息革命，全面進入量子信息時代。

以藥物研發(fā)而言，現(xiàn)在每一種新藥都要投入巨額資金和較長時間，但是，如果引入量子計算，則可以大大加快新藥研發(fā)過程。新藥研發(fā)的前期工程極為艱巨和繁雜，需要對數(shù)以千萬計和上億化學物質(zhì)和分子進行篩選。過去，傳統(tǒng)的方法對大量的化學物質(zhì)和分子進行人工計算，以及靠傳統(tǒng)計算機進行篩選。

▲德勤公司(Deloitte)在發(fā)布的《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共批準59款新藥計，它們的總成本足以向火星上發(fā)送51輛登陸探測車。

但是，如果量子計算機進入實用后，波士頓咨詢(BCG)援引部分制藥行業(yè)的高管預估，量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%-10%，并節(jié)省15%-20%的研發(fā)時間。

按照美國塔夫茨藥物研發(fā)中心的評估，現(xiàn)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(fā)所需時間為5.5年，臨床平均研發(fā)時間為8年。僅以量子計算可以節(jié)省15%-20%的時間而言，就可能把現(xiàn)在的藥物和疫苗研發(fā)時間提前2-3年。

同樣是塔夫茨藥物研發(fā)中心的評估，一種新藥的研發(fā)成本為10億美元，但是如果將上市后的研發(fā)費用計入，研發(fā)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(jié)省時間那樣節(jié)省15%-20%，也至少能節(jié)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(jié)省藥物和新材料的研發(fā)經(jīng)費，因為在原子水平上，目前的超算無法處理大多數(shù)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(jié)藥經(jīng)費，研發(fā)一種新藥就至少可以節(jié)省5億美元，這也意味著至少有10%的公司愿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，而目前全球高性能計算(超算)的市場規(guī)模是100億美元。

不過，對于量子計算是實現(xiàn)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項目聯(lián)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性能最好的超算，就算實現(xiàn)了“量子計算機對傳統(tǒng)計算機的霸權”。

但是，以目前的情況看，由于論文尚未通過評審，不能就此下結論量子霸權已經(jīng)到來，更不能說已經(jīng)實現(xiàn)了量子計算對超算的終結或更新?lián)Q代。

而且，即便是專家評估證明谷歌的量子計算實現(xiàn)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并產(chǎn)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(tǒng)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(yè)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。

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

另一方面，無論是量子霸權還是量子優(yōu)勢，也都意味著，世界上第一臺實用的量子計算機已經(jīng)在向人們招手了，量子信息時代也真的是離人類不遠了。