1月2日，阿里巴巴發布《達摩院2020十大科技趨勢》。

文章表示：“2019年，‘量子霸權’之爭讓量子計算在再次成為世界科技焦點。超導量子計算芯片的成果，增強了行業對超導路線及對大規模量子計算實現步伐的樂觀預期。2020年量子計算領域將會經歷投入進一步增大、競爭激化、產業化加速和生態更加豐富的階段。作為兩個最關鍵的技術里程碑，容錯量子計算和演示實用量子優勢將是量子計算實用化的轉折點。未來幾年內，真正達到其中任何一個都將是十分艱巨的任務，量子計算將進入技術攻堅期?！?/p>

在上世紀中葉，愛因斯坦、尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）、尤利烏斯·羅伯特·奧本海默（Julius Robert Oppenheimer）等頂級科學家，共同領導了“曼哈頓”計劃。

這一計劃，除了帶來眾所周知的原子彈外，還匯聚當時世界上最優秀的科技精英，其中理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）就是“曼哈頓”計劃天才小組成員。

后來也正是費曼在1982年，提出利用量子體系，實現通用計算的想法，讓量子計算由夢想走入現實。

1985年，物理學家大衛·杜斯（David Deutsch）在費曼的基礎上，提出量子圖靈機模型。不過由于實用性受到質疑，量子計算進展一直被擱置起來。

直到20多年后的2007年，加拿大D-Wave系統公司研制成功的16位量子比特超導量子計算機，才正式開啟“迷你曼哈頓計劃”。

“曼哈頓”計劃所產生的核武器，對現實世界的安全體系，產生巨大影響。而在強大算力加持下，量子計算同樣會對現有數字世界安全體系產生顛覆。因此，美國才會將量子霸權稱為21世紀的“曼哈頓計劃”。

量子霸權：21世紀的“曼哈頓”計劃

與傳統CPU的不同之處在于，由于量子特性多，一個量子比特其整體的表示能力將翻倍。量子霸權是量子計算機能夠解決經典計算機實際上無法解決的問題的潛在能力。

從計算復雜性理論的角度來說，這通常意味著提供一個超越已知或可能的經典算法的指數級加速。

通俗地講，量子計算機隨著計算單元的增多，其算力增長是指數級的。而傳統計算機算力增長，則隨計算單元增長呈線性增長。

隨著計算單元不斷增多，量子計算遠勝于傳統計算算力。而這就是量子霸權，詳見下圖。

筆者做為一個骨灰級的量子計算愛好者，非常欣喜地看到，近日中科院院士潘建偉教授與德國、荷蘭的科學家合作，首次實現20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，并且在四大關鍵指標上，均大幅刷新國際記錄，逼近實現量子計算研究的重要目標量子霸權。

這項研究突破，是“一個巨大的飛躍”，“是通往實現‘量子霸權’的‘彈簧跳板’”，該實驗幾近超越傳統計算機，這也意味著量子計算領域的一個里程碑。

2019年10月份，Google在《自然》雜志發表封面文章《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》時，美國總統特朗普之女伊萬卡·特朗普（Ivanka Trump），甚至直接發推官宣美國實現量子霸權，成就堪與萊特兄弟在1903年的飛機首秀相媲美。

雖然這樣的說法，遭到了IBM的直接回懟，IBM在官網稱：“Google所謂要花1萬年的計算，傳統計算機在2.5天內就能完成，這還是保守估計?！?/p>

不過，這件事也大大增強大眾對于量子霸權實現的樂觀預期。預計2020年，量子計算領域將會經歷投入進一步增大、競爭激化、產業化加速和生態更加豐富的階段。

量子計算初探

量子計算并非通用計算：由于量子單元并不是簡單的0和1，其還有疊加態與相互的糾纏態，它的數學表達式非常復雜，也無法用于通用計算，而且對于每種計算任務，都需要為量子計算單獨設計算法。

換言之，量子計算機并不是通用計算機，只能在特定的任務中展現強大優勢。比如，量子計算機可以執行Shor算法，并進行快速的因式分解。但是，在若干數字連加、連減等通用計算任務中，并不比傳統計算機快。

基本量子邏輯門：與傳統計算的與、或、非三類門不同，由于量子比特并不是簡單的0、1態，所以它的七種門是這樣的：

Pauli-X gate：相當于經典的邏輯非門；Pauli-Y gate：一個復數操作的門；Pauli-Z gate：這個門保留基本狀態|0〉不變并且將|1〉換成- |1〉；Hadamard Gate：使量子處于疊加狀態；CNOT Gate：使兩個量子處于糾纏態；SWAP gate：相互交換兩個量子位，由三個Pauli-X gate組成；CCNOT gate：這是一個操作三個量子比特的的量子邏輯門，如果前兩個量子比特是 |1〉，則對第三個量子比特，進行類似于經典的邏輯非門處理，反之則不做操作。一個最簡單的由Hadamard Gate和CNOT Gate組成的量子電子結構如下：

量子霸權實現之路依舊漫長

量子霸權成敗，全部源于其指數級的算力成長。傳統超算的計算單元之間，是線性累加的關系，因此它很容易通過校驗機制濾過錯誤，并能避免錯誤的累積。

如前文所述，量子單元間的關系是相干態。所以，如何通過量子糾錯，從而避免硬件錯誤的累積，才是量子霸權路上的最大挑戰。

量子糾錯并不簡單

首先，量子相干系統與周圍環境之間的相互作用，會創造一個通道，而相干性則會在一個被稱為退相干的過程中，迅速通過該通道被“泄漏”出來。

因此，研究人員必須設法避免退相干現象的發生。目前，“相干態”僅能維持幾分之一秒，而隨著量子比特的數量、以及與環境相互作用的可能性的增加，這個挑戰將變得越來越大。

其次，量子過程同其它所有的過程一樣，存在“雜音”。無論從量子比特中的熱量，還是從更為深層的量子物理過程中產生的隨機波動，這都會使量子比特的狀態翻轉、或隨機化，最終導致計算失敗。

雖然，在經典計算中，也存在這個問題。但在經典計算中，處理它們只需保留每個計算位的兩個、或多個副本，以便在隨機翻轉的位出現時有所準備。

在量子糾錯方面，中國科研機構也有一定成就，清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組、段路明研究組與中國科學技術大學鄒長鈴研究組合作后，在超導量子系統中，實現了微波光子二項式量子糾錯碼，并首次同時實現邏輯量子比特的量子糾錯和通用量子門操控。該論文《Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit》發表在《Nature Physics》雜志上。

“高精度”和“大規?！钡耐瑫r突破才能實現量子霸權

雖然2019年量子計算好消息不斷，但是從Google的論文（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5.pdf）上也可以看到，其雖然實現了大規模的量子計算機，但是其保真度還處于比較低的水平，這樣的精度，是無法實現Shor算法的。如何在保證高精度的同時，突破規模的限制，是2020年需要攻堅的工程難題。

量子霸權會在下個十年迎來曙光

不管怎樣，中國在量子計算方面并沒有落后，阿里、騰訊、百度、華為近年來，先后布局量子計算。

阿里和中科大聯合發布了量子計算云平臺，在2018年推出了量子模擬器“太章”；騰訊在量子AI、藥物研發等領域展開了研究；百度在2018年成立了量子計算研究所；華為在2018年發布了HiQ量子云平臺，并在2019年推出“昆侖”量子計算模擬一體機。

預期和現實，總在上下交替的舞蹈中螺旋上升。過去兩年，硬件的進展，為量子計算贏得了未來一段時間攻堅作戰的糧草。

下一個十年的技術進展，將主要是基礎技術的突破和實用性的發展。雖然不一定為大眾津津樂道，但這將助推量子計算迎來又一個高潮。

責任編輯：韓希宇