量子计算机时代意味着啥

谷歌团队刊发在NASA官网上的论文中宣称已实现量子霸权，但随后被删除。量子计算机的计算力量到底有多恐怖?何时能替代传统计算机?

撰文/张田勘(专栏作者)

新媒体编辑/陈炫之

据外媒报道，谷歌研发团队日前在一篇论文中称，他们已经实现了量子霸权。虽然这篇刊发在美国国家航空航天局(NASA)官网上的论文随后又被删除，但已经吊足了大家的胃口。

根据提前泄露的论文内容，谷歌已经能够利用一台53量子比特的量子计算机实现传统架构计算机无法完成的任务。这一量子计算机在3分20秒内完成特定任务的运算，如果让目前世界排名第一的超级计算机——美国能源部橡树岭国家实验室的Summit执行同样任务需要大约一万年时间。两相比较，研究人员认为，相对于所有已知的经典算法而言，这种惊人的速度证明了计算性能上“量子霸权(quantum supremacy)”的实现，预示着人们期待已久的量子计算范式的到来。

▲在量子计算机游刃有余的强大算力前，超级计算机几乎无法与之相提并论。(图片来自网络)

不过，这一消息还需要确认，因为谷歌的研究论文于本周先提交至NASA官网，但随后被删除。据报道论文从NASA被撤下的原因是，该研究还没有经过同行评审，按惯例，学术成果应首先在学术期刊发表，才能用于新闻和大众传播。在学术期刊发表的前提又是需经同行专家评审，而且评审过程一般需要数周或者数月时间。

尽管如此，从披露的研究内容来看，预示着量子科学进入了一个全新阶段，而且如果论文通过审议并顺利发表，说明量子计算真的形成和实现了量子霸权，也对传统计算机中的超级计算机(超算)也实现了全面和大规模的超越。从3分20秒完成超算1万年才能完成的任务，是实现了8个数量级的跨越(1万年有5.256亿分钟)，同时也打破了摩尔定律。

摩尔定律是指，传统计算机的芯片算力每18个月性能翻倍。这种翻番当然也是指数级的，但是量子计算机更牛，是双指数快速增长，即增长不是按2的幂增长，而是按2的幂的幂增长。

这个概念是谷歌量子人工智能实验室主任哈特穆特·内文(Hartmut Neven)在2019年5月的谷歌量子春季研讨会上首次提出的，而且预言量子霸权会在2019年内实现。量子计算机以双指数增长超越计算机的过程是两个指数因子相互组合的结果，表现为，量子计算机比经典计算机具有先天的指数优势。如果一个量子电路有4个量子比特，那么一个16比特的经典电路才能与其计算能力等效;同时第二个指数因子源于量子处理器的快速演进。

简单地说，量子霸权的实现就是量子计算机全面碾压超算，以3分20秒比1万年，前者的计算能力和性能是后者的1.75亿倍。而且，量子计算是结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革，一是信息技术，二是量子力学。使用量子力学的规则替换传统计算机二进制逻辑来计算，就可以攻克许多难以完成的计算任务。

如果量子计算机全面替代传统计算机，则意味着今天计算机的三条原则将会改变。这三条原则是：

(1)以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度;

(2)利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度;

(3)采用把计算功能和二进制数更新存贮的功能相分离的结构。

但是，量子计算或量子霸权有什么用呢?

其一，如果进入实用，可以实现数百个量子比特相干操纵的专用型量子计算系统，应用于具有实用价值的组合优化、量子化学、机器学习等方面，指导新材料设计、药物研发等。其二，进入到通用可编程的量子计算机阶段，能够相干操纵数亿量子比特，实现可容错的量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

从总体上看，如果能实现这些目标，就意味着人类已经圆梦量子计算机，将实现第二次信息革命，全面进入量子信息时代。

以药物研发而言，现在每一种新药都要投入巨额资金和较长时间，但是，如果引入量子计算，则可以大大加快新药研发过程。新药研发的前期工程极为艰巨和繁杂，需要对数以千万计和上亿化学物质和分子进行筛选。过去，传统的方法对大量的化学物质和分子进行人工计算，以及靠传统计算机进行筛选。

▲德勤公司(Deloitte)在发布的《2019全球生命科学展望》分析报告指出，推动一款新药上市的成本高达21.68亿美元。以2018年FDA共批准59款新药计，它们的总成本足以向火星上发送51辆登陆探测车。

但是，如果量子计算机进入实用后，波士顿咨询(BCG)援引部分制药行业的高管预估，量子模拟可将药物发现率提高5%-10%，并节省15%-20%的研发时间。

按照美国塔夫茨药物研发中心的评估，现代平均一种新药或疫苗从临床前靶点筛选到最终上市，平均至少13.5年，而且还不算靶点确认阶段的时间，其中临床前研发所需时间为5.5年，临床平均研发时间为8年。仅以量子计算可以节省15%-20%的时间而言，就可能把现在的药物和疫苗研发时间提前2-3年。

同样是塔夫茨药物研发中心的评估，一种新药的研发成本为10亿美元，但是如果将上市后的研发费用计入，研发一个处方药的费用最高估计可达25.6亿-28.7亿美元。仅以10亿美元的成本计算，如果能像节省时间那样节省15%-20%，也至少能节省1.5亿-2亿美元。

更乐观的估计是，量子计算可能成倍地节省药物和新材料的研发经费，因为在原子水平上，目前的超算无法处理大多数的模拟，量子计算则可以完成这样的任务。如果能达到成倍节药经费，研发一种新药就至少可以节省5亿美元，这也意味着至少有10%的公司愿意为量子计算承担费用，实际上，仅量子计算带来的市场就有150-300亿美元价值，而目前全球高性能计算(超算)的市场规模是100亿美元。

不过，对于量子计算是实现了突破，也有一些专家表示怀疑。美国斯坦福大学著名量子物理学家、Q-FARM项目联合召集人之一海登(Patrick Hayden)表示，量子霸权只是一个“模糊的里程碑”。这是在量子计算机研究论证过程中提出的一个目标性概念，如果能证明量子计算机在某个问题上计算能力远远超过性能最好的超算，就算实现了“量子计算机对传统计算机的霸权”。

但是，以目前的情况看，由于论文尚未通过评审，不能就此下结论量子霸权已经到来，更不能说已经实现了量子计算对超算的终结或更新换代。

而且，即便是专家评估证明谷歌的量子计算实现了突破，但是，离实用可能还有很大的距离，乐观地估计，量子计算机要投入实用并产生实际效应，可能至少还需要10年甚至更多的时间。

不过，应当看到的是，量子计算代表了未来，也是对传统计算机的改朝换代，因此，全球都在对这一目标进行竞争。从美国的谷歌到国际商业机器股份公司(IBM)，再到中国的阿里巴巴到腾讯，世界顶尖的科技公司都在竞相建造出第一台可实际应用的量子计算机。而且，各个科技巨头的竞争也非常激烈。

相对于谷歌所称的量子霸权，IBM提出了“量子优势”的概念。该公司认为，量子优势更有实用价值，是在一个真实应用场景，如金融服务、人工智能(AI)、化学领域中，量子计算机可以做出比任何经典计算机要明显优秀的工作。

另一方面，无论是量子霸权还是量子优势，也都意味着，世界上第一台实用的量子计算机已经在向人们招手了，量子信息时代也真的是离人类不远了。

关键词： 量子计算机