理性看待谷歌实现“量子霸权”：突破 “控制力”而非“计算力”

　　谷歌公司10月23日在《Nature》（自然）杂志官网发布消息称，其研发的量子计算机可对53个量子比特进行精确运算控制，在超导电路系统采样运算中对目前超算冠军Summit 形成绝对优势，即实现了“量子霸权”。谷歌“量子霸权”的实现，展示了其对量子比特控制的能力，为后续量子纠错以及专用量子计算机的应用奠定了基础。对我国而言，现在有必要梳理一下在量子计算领域的进展与差距，以加快推动专用量子计算发展。

　　谷歌量子霸权事实评述

　　谷歌声称率先实现量子霸权。量子霸权，翻译自Quantum Supremacy，实际上译为量子优势更为准确；是指量子计算机具备超越经典计算机的计算能力。此前，被NASA误发的谷歌“量子霸权”论文草稿于10月23日正式重新发表，相较此前的草稿，正式论文中增加了大量的技术细节资料。谷歌在论文中表示，其已开发出一款54量子比特数的量子芯片，名为Sycamore，由铝、铟、硅晶片和超导体（约瑟夫森结）等材料组成。其中，53个量子比特和86个耦合器可以执行运算，剩下的1个量子比特无法正常工作。Sycamore可在200秒内对一个53比特的超导电路系统采样100万次，而目前世界排名第一的超级计算机Summit完成该计算需要花费1万年的时间。基于此，谷歌认为量子计算实现了对经典计算的超越，因而宣布其实现量子霸权。

　　量子霸权作为一个概念化的“里程碑”，是专用量子计算机应用进程中的重要节点。IBM在谷歌草稿论文发布后发博文称，谷歌实现量子霸权存在夸大之处。一方面，谷歌在将Sycamore与Summit进行比较时假定超级计算机会受到系统内存存储数据量的限制，有失偏颇。IBM保守估计，Summit执行谷歌量子处理器的等效任务仅需2.5天，而非1万年之久。另一方面，即便Sycamore在超导电路系统采样运算中优于Summit，通用量子计算机应用仍然久远，而“霸权”一词可能会导致公众对量子计算期望过高。不过，谷歌的研究仍具有重要意义，仅是谷歌对53个量子比特的控制能力便足以令业界振奋，预示着量子计算机距离应用又近了一步，它为量子计算发展注入了一支强心剂。

　　谷歌致力于量子计算研究，技术实力领跑全球。谷歌Sycamore系统基于超导电路系统，在非并行情况下，单比特错误率0.15%，双比特错误率0.36%，在保持较高保真度的前提下实现了对53个量子比特的控制属全球首次。此外，谷歌长期以来在量子计算领域持续投入，取得重大突破，相关成果丰富。2018年3月5日，谷歌推出72比特量子芯片Bristlecon，实现了1%的低错误率；同年7月，谷歌发布可用于量子计算的Python开源框架Cirq。近日，谷歌在《Nature》合作期刊《npj Quantum Information》上，发表了《通过深度强化学习实现通用量子控制》（Universal Quantum Control through Deep Reinforcement Learning）的论文，提出结合深度强化学习的方法实现通用量子控制，可极大提高量子计算机的计算能力。

　　我国量子计算基础研究进展

　　与国际领先水平仍存差距

　　理论研究取得突破，处于高步速跟跑状态。我国量子计算研究参与者多为科研机构与高校，主要有中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院、清华大学、南京大学和北京计算科学研究中心等，在相关领域已取得一定成果。其中，在多光子纠缠领域，我国研究进展较快，已经实现了18个光量子的纠缠，在研究机构数量、核心论文数量方面，也都处于世界前列。但是，我国量子计算基础技术实力仍落后于美国，尤其是在基于超导技术的量子计算机物理实现方面，距国际领先水平仍有不小的差距。

　　市场化领军企业参与度较低，缺乏全面的战略布局。在量子计算领域的技术累积、研发投入，以及对产业发展方向的战略布局方面，我国企业与国际先进水平差距非常大，预计，未来几年仍将会处于一种跟跑状态。近年来，BAT等领军企业虽然都纷纷开始布局量子计算，但对量子计算的研究还都处于观望起步阶段，资金投入相对欧美企业较少，技术研发也以跟随为主，缺少全面的战略布局，研发成果多为基于经典计算机的量子模拟，与国际龙头企业差距较大。

　　产业化关键技术与国际先进水平尚存较大差距。一方面，超导量子计算、半导体量子点等全电技术体系的工艺大都依托于传统集成电路工艺，而我国集成电路工艺起步较晚，仍存在重大的技术障碍，量子工艺性能与欧美国家差距巨大。另一方面，相比于美国在量子计算机硬件、软件等方面的布局和集中攻坚，我国的量子软件研发能力、量子计算算法、量子比特控制技术明显落后，严重制约着我国量子计算机的发展步伐，且易导致在国际竞争中处于被动状态。

　　启示与借鉴

　　面向具体领域的专用型量子计算机有望率先成熟并获得应用落地，应坚定发展信心。随着量子比特的可控性不断提升，未来类似谷歌量子霸权事件将不断涌现，量子计算的发展前景也将逐渐明朗。各研究机构对量子计算前景持乐观态度，在量子计算领域持续投入：紧随谷歌量子霸权事件后，D-Wave系统公司宣布其新一代5000比特量子退火计算机将首次出售给洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）；摩根大通和戴姆勒等公司正在测试IBM的量子计算硬件；美国国家航空航天局正与谷歌等公司合作，希望借助量子计算机完成任务调度或探测系外行星。在后量子霸权时代，可将量子计算应用于探索更多现有经典计算机无法进行但更具开拓性的研究领域，也意味着人类即将进入一个量子技术发展的关键新时代。

　　加快我国在量子计算等前沿领域的研发、投入和产业化布局。谷歌、IBM等量子计算领域的领跑者一直以来对量子计算投入巨大，取得的成果也值得肯定。因此，有必要坚定信心进一步促进我国量子计算发展。一是推动国内龙头企业积极开展量子计算产业布局，组织工程技术研发，加大研发投入力度，培育一批量子计算领域的骨干企业。二是集中优势资源着力攻克技术薄弱环节，重点聚焦量子比特规模和性能、提高量子比特相干时间、 实现噪音环境下的高保真度量子逻辑门等技术瓶颈。三是加强对专业人才梯队建设的全面布局，不仅要培养一批本土的高端技术人才队伍，同时还应以市场环境为依托，通过政策导向集聚全世界最優秀的量子计算相关专家。

　　李雅琪 温晓君