谷歌“量子霸权”真神吗？颠覆现行加密技术还很远

谷歌最近“无意”中透露其创造了计算机科学的历史。近年来，该公司与IBM和英特尔等科技巨头在开发量子计算机方面展开了日益激烈的竞争，期望利用量子力学规律打造的量子计算机来解决某些复杂问题。谷歌一直期望自家开发的量子计算机原型能够证明“量子霸权”，这也让其得到了公众的持续关注。“量子霸权”指的是量子计算机胜过经典计算机的实验，谷歌相关领域的一位主要研究人员曾预测，该公司将在2017年达到这一里程碑。

上个月，有消息称谷歌已经达到了这一里程碑。美国国家航空航天局(NASA)的官网短暂发布了一份研究报告草稿，谷歌研究人员在其中描述他们如何实现了量子霸权。消息被媒体爆出几个小时后，美国民主党总统候选人安德鲁·杨(Andrew Yang)发推文警告说，谷歌的量子计算机可能会推翻现行的加密技术。但量子计算领域的研究人员正试图向全世界保证，传统计算机和加密安全并没有过时。

短暂出现在NASA官网上的文章

很多专家对谷歌的最新进展印象深刻。加州理工学院教授约翰·普莱斯基尔(John Preskill)早在2011年就创造了“量子霸权”一词，称这将是“实验物理学中真正令人印象深刻的成就”。但他和其他专家、甚至是谷歌自己的论文都警告说，这个结果并不意味着量子计算机已经为实际应用做好了准备。

“他们的机器只是能够以惊人速度解决精挑细选的问题，目的只是为了展示量子计算机的优越性，” 普莱斯基尔说。目前还不清楚量子计算机要多久才能投入商业使用，完全破解加密技术仍然是遥不可及。路易斯安那州立大学教授乔纳森·道林（Jonathan Dowling）说:“这还需要很多年。”

胜过传统设备的“量子霸权”实验

由于量子计算机理论上能够解决传统计算机要花太多时间的复杂问题，谷歌和其他公司正在大力进行相关研究。这种方法试图利用数学来验证诸如光的波粒二象性等量子力学古怪之处。上世纪90年代研究人员就发现，这可能提供一种强大的计算处理新方法。贝尔实验室一名研究人员曾编写出一种算法，通过量子计算机来破解长密钥，显示出这项技术可能会超越传统计算机，此后人们对这一领域的兴趣大增。

最近，学术界和企业界的研究人员纷纷制造出关于量子计算机的各种原型，并吹嘘依靠其实现了各种化学和机器学习用例。这些设备如今已经可以处理数据，但它们的算力仍然太小，而且容易出错，难以挑战传统计算机的实际工作。考虑到研究人员如何证明量子计算机确实比传统计算机更有优势，普莱斯基尔在2011年的一次演讲中创造了“量子霸权”这个词。

自那以后，谷歌、IBM、英特尔、微软和一些初创公司都加大了对量子计算的投资。这似乎让“量子霸权”的到来变得不可避免。道林说:“这是我们预料中的事情，迟早要实现。”

造成这种预期的另一个原因是谷歌自己的研究人员也这么说。2017年，该公司量子硬件研究负责人约翰·马提尼斯(John Martinis)就预测，他的团队将在当年年底实现“量子霸权”。谷歌、IBM和英特尔都已经展示出大约50个量子比特的量子处理器，这些设备是量子计算机的基本组成部分，与专家预计能够实现“量子霸权”的设备容量大小相当。

谷歌如何实现了“量子霸权”

就像普通计算机中的比特一样，量子比特也以1和0的形式表示数字数据。量子处理器的强大之处在于量子比特能够达到一种称为叠加态的状态，从而能够让0和1形成更多种组合。

至少在某些问题上，叠加态使得量子处理器上的量子能够比特比等量比特实现更多种组合。当加入更多的量子比特时，可能的组合会以指数形式增加。理想情况下，当量子计算机有大约50个量子比特时，即使是现有最大的超级计算机也很难模拟这些量子比特所实现的算力。

这种现象支撑着谷歌的“量子霸权”实验。其研究人员开发了一种名为Sycamore的量子处理器，该处理器包含54个量子比特，用来对量子随机数发生器的输出进行采样。同时，研究人员对一些强大的谷歌服务器集群以及橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的Summit超级计算机设定了同样的计算问题。

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的Summit超级计算机

谷歌研究人员的论文称，传统计算机只能涉及这个问题的皮毛。研究人员在论文中声称，像Summit这样的顶级超级计算机需要大约1万年的时间才能实现Sycamore量子处理器在200秒内完成的工作。

正如普莱斯基尔所指出的那样，这种比较并不公平。谷歌谨慎选择了一个适合其量子硬件的问题，并在其论文中写道，要实现量子计算所描绘的辉煌前景，仍然需要“技术上的飞跃”。道林和其他人估计，由于算法的复杂性，拥有数百万个高质量量子比特的设备才能威胁到现行的加密技术。

距离实用尚需时间

德克萨斯大学(University of Texas)教授斯科特 阿伦森(Scott Aaronson)拒绝就谷歌论文的细节置评。但他表示，展示“量子霸权”仍是一个有用的标志。他说:“虽然这只是一个概念证明，”“但在你能做有用的事情之前，你需要一个概念的证明。”

谷歌及其竞争对手表示，量子计算机可能会做的实用性工作包括改进化学模拟，用于电池设计和药物研发等应用，并推动机器学习技术的发展。摩根大通和戴姆勒等公司正在测试IBM的量子计算硬件，而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。

IBM的量子计算机原型

目前尚不清楚量子计算机离完成这些任务还有多远。IBM研究主任达里奥 吉尔(Dario Gil)对谷歌的结果表示祝贺，但他也担心“量子霸权”一词可能会导致量子计算研究领域之外的人对此期望过高。他表示:“我们需要制造更有实用价值的机器，但不是现在也不是明年。”“这仍需要一些时间。”（皎晗）