2019年8月23日，谷歌在持续重金投入量子计算13年后，成功摘取量子计算领域的一个重要里程碑：实验证明“量子优越性”，在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。虽然，费曼在38年前就提出了量子并行计算的概念，但是，这个第一次真正确信无疑地演示这种超级计算能力，花费了全世界科学家们几十年的努力。有国际专家把这个成果比喻为莱特兄弟的首飞，虽然当时的飞行器非常简陋，飞行只持续了12秒，完全没有实用价值，但是这预示了一个新技术时代即将到来的曙光。

应该指出的是，谷歌的阶段性实验绝不是终点，而是一个起点。今年9月份在合肥举办的新兴量子技术国际大会的白皮书指出，量子计算研究可以沿如下路线开展：“第一个阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标将在近期实现；第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，还需要全世界学术界的长期艰苦努力。”

——潘建伟（中国科学技术大学教授，“赛先生”总编辑）

谷歌量子计算机Sycamore的量子比特线路，采用超导材料搭建，置于极低温环境中。（图源：Google）

撰文 | 黄合良

什么是“量子优越性”？

近年来，由于超导量子计算技术的快速发展，量子计算逐渐发展到50个左右量子比特规模。尽管如此，考虑到量子纠错需要耗费的资源，真正具备实用化的通用量子计算机至少需要10万-100万量级的量子物理比特。因此，量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。

图1. 随机量子线路采样示意图

图2. 20光子玻色采样示意图

谷歌量子AI团队的突破

此次，谷歌量子AI团队制备了一块包含54个量子比特的超导量子计算芯片，并将其命名为Sycamore。不幸的是，其中一个量子比特坏掉了，所以可用的量子比特只有53个。不过因为坏掉的量子比特在芯片的边缘，基本上不会影响最终实验结果。

图3. Sycamore芯片的结构和实物图

“量子优越性”工作的争议

实际上，“量子优越性”代表了两个方面的竞争，一方面量子芯片的比特数和性能不断扩张，在某些问题上展现出极强的计算能力；另一方面，经典算法和模拟的工程化实现也可以不断优化，提升经典算法的效率和计算能力。所以，如果能够提升经典模拟的能力，那么谷歌的量子设备有可能就无法打败最强超算，从而“称霸”失败。实际上这是极有可能的，因为谷歌也无法保证他们在做经典模拟时已经达到了最优，包括他们所使用的薛定谔-费曼算法，以及对超算工程化实现的优化。

量子计算的下步路在何方？

纵观量子计算的发展，我们可以明显感受到量子计算技术的进步是显著的。尤其是近几年，这个方向进入了一个技术爆发区。各个量子计算物理体系都得到了长足的发展，以超导为代表的量子计算体系已经突破到50比特左右的规模，离子、原子体系也突破了20个比特的规模[8]，光子体系在2018年已实现了18比特纠缠[9]。

国内相关领域进展和布局

我国在超导量子计算领域起步较晚，相比于谷歌这个领头羊，我们国内的相关科研团队仍处于追赶地位。可喜的是，近年来，以中科大、浙大、中科院物理所等为代表的多个科研团队，已经突破了20个量子比特的超导量子计算技术[10-13]。目前，他们正在攻关50比特量子计算技术，并有望在明年底实现“量子优越性”。因此，我国在超导领域虽与美国存在差距，但是不存在代差，如果能够得到持续的投入和支持，未来可期。

参考资料

[1] Boixo, S., et. al., Characterizing quantum supremacy in near-term devices. Nature Physics, 14(6), 595 (2018)..

[2] Bremner, M. J., Jozsa, R., & Shepherd, D. J. Classical simulation of commuting quantum computations implies collapse of the polynomial hierarchy. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 467(2126), 459-472 (2010).

[3] Aaronson, S., & Arkhipov, A. The computational complexity of linear optics. In Proceedings of the forty-third annual ACM symposium on Theory of computing (pp. 333-342). ACM (2011, June)..

[4] Bouland, A., Fefferman, B., Nirkhe, C., & Vazirani, U. On the complexity and verification of quantum random circuit sampling. Nature Physics, 15(2), 159 (2019)..

[5] Aaronson, S., & Chen, L. Complexity-theoretic foundations of quantum supremacy experiments. arXiv preprint arXiv:1612.05903 (2016).

[6] Chen, M. et. al. Quantum Teleportation-Inspired Algorithm for Sampling Large Random Quantum Circuits, arXiv:1901.05003 (2019).

[7] Wang, H. et. al. Boson sampling with 20 input photons in 60-mode interferometers at 1014 state spaces, arXiv:1910.09930 (2019).

[8] Ahmed Omran, et al, Generation and manipulation of Schrodinger cat states in Rydberg atom arrays. Science, 365(6453), 570-574 (2019).

[9] Wang, X. L. et. al. 18-qubit entanglement with six photons’ three degrees of freedom. Physical review letters, 120(26), 260502 (2018).

[10] Gong, M., et. al. Genuine 12-qubit entanglement on a superconducting quantum processor. Physical Review Letters, 122(11), 110501 (2019).

[11] Yan, Z. et. al., Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor. Science, 364(6442), 753-756 (2019).

[12] Ye, Y., et. al., Propagation and localization of collective excitations on a 24-qubit superconducting processor. Physical review letters, 123(5), 050502 (2019).

[13] Song C., et. al., Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits., Science, 365(6453):574–577, (2019).