量子计算机，一定比经典计算机更先进吗？
Philip Ball说，我们远远无法断定量子计算机是否能超越经典计算机。
量子霸权听起来有点可怕，仿佛像是《终结者》电影系列的结局或者是一场失败的政治运动一样。事实上，它意味着量子计算机超越所有经典计算机的时代的到来。加州理工学院的量子理论学家John Preskill在2012年首次使用“量子霸权”这一说法，之后它被越来越多的人接受，因为它的时代似乎近在眼前。根据许多量子计算的支持者，它甚至可能在年底之前到来。
IBM Research
但是量子霸权这一概念是否合理？仔细一想就会发现很多问题。我们根据什么标准判断一台量子计算机在性能上超越一台经典计算机？要解决什么问题？如果没有经典计算机做参考，如何确认量子计算机成功了？
对于量子霸权，评论家们预测它将主导信息技术领域，并对此兴奋不已，而计算机科学家和工程师的反应则淡定得多。他们未将其视为一种节点性的突破，而是一种象征性标志：它是一件概念工具，借由它开展一场有关这两种计算方法差异的讨论。或许，它还是一条出色的宣传口号。
魔法数字
量子计算机依据在最小尺度支配物质行为的量子规律来操纵信息。在这个量子世界中，信息可被编码为量子比特，它们由代表二进制1和0的量子态对象构成。在量子计算机中，量子比特保持量子相干叠加态，也即它们相互关联，而非像在经典计算机电路中的比特（晶体管）一样相互独立，因此就有可能比经典计算机更高效、更快速地执行某些计算，所需的（量子）比特也更少。
IBM和谷歌都已经研发出量子计算原型设备。IBM向公众开放了一款接入云端的5量子比特计算机。2017年11月10日，IBM宣布为商业用户提供一台20量子比特计算机。IBM计算机科学家还在同一天报告他们成功测试了一个50量子比特的电路。谷歌同样也在研发拥有49-50量子比特的设备，研究者希望通过这些设备在今年年底前证明量子霸权。
但是，谁能确定量子计算机真的可以做到经典计算机做不到的事呢？会不会只是人们还没有发现一种足以胜任的经典算法？这就是为什么量子霸权在理论上是一个有意思的挑战：是否真的存在一些问题让人们可以通过严谨的方式证明量子计算能完成经典计算无法完成的任务？
讨论最多的是所谓的取样问题：将有效随机比特转化成来自预定义分布的比特。John Martinis领导的谷歌团队描述了一个在量子计算机上实行类似取样方案的实验流程，并提出50量子比特计算机可以展现出量子霸权。
因为这篇论文，50量子比特为成为了一个标志性数字。谷歌计划利用仅仅 50 个量子比特实现量子霸权，而Edwin Pednault 与同事（IBM托马斯·J·沃森研究中心）在他们之前发表的一篇预印本论文中表示，只要设计足够精巧新颖，在经典计算机上也可以模拟某些49量子比特问题，这被一些新闻报道解读为对谷歌的挑战。
深度才是重点
但事实并非如此。现在量子计算专家不得不反复强调：量子比特的数量并非唯一的决定因素。衡量量子电路能力的一项重要标准其实是“深度”，即在量子比特相干性消失前，一个量子比特系统能实现多少个逻辑运算（“门”），因为当量子比特退相干后计算错误就会激增，导致无法进行更进一步的计算。同样重要的还有量子比特彼此如何连接的问题。因此，真正衡量量子电路能力时，需要考虑一系列不同因素，也就是IBM研究者所说的“量子体积”（quantum volume）。
这意味着一项量子计算任务之于经典计算机的难度取决于算法深度，而不只是量子比特数量。Martinis说IBM的论文只讨论了深度较浅的问题，所以在49量子比特水平上仍旧存在经典计算解决方案，也就不足为奇。他说：“谷歌已充分意识到，浅层电路更容易进行经典计算。我们在原始论文中有提到这个问题。”
麻省理工的计算机科学家Scott Aaronson也认为IBM的研究并没有对实现量子霸权有明显的推动作用。“这是一篇出色的论文，它创下了对通用量子电路进行经典模拟的新记录，”他写道，但是“它并没有动摇量子霸权实验的依据。”
他说事实几乎可以说是相反的：论文表明“使用经典计算机模拟49量子比特电路是可行的，这是谷歌计划的量子霸权实验的先决条件，因为这是我们唯一所知的检查实验结果的方法。”这篇IBM论文在本质上展示了如何在大边界上验证量子计算结果，这样当超越这一边界时，计算机科学家和工程师就能对量子计算机保持大的信心。Aaronson说这个目标可以被比作“不断向高山之巅攀登，却又要保证山脚下的人能始终看到你。”
这些观点似乎与IBM团队自己的看法一致。Pednault说：“我认为从我们建立的模拟方法中可以得出的一个结论是，量子霸权应该被看作一个度的问题，而不是一个绝对阈值。我和其他一些人都更喜欢用‘量子优势’这个词。”
IBM的理论科学家Jay Gambetta表示同意，因为从字面上解读量子霸权可能意义并不大。他说：“我不认为量子霸权代表了我们到达终点宣告胜利的一个里程碑。我将这些‘霸权’实验视作一系列旨在帮助我们研发量子设备的基准测试实验。”
Pednault说，无论如何，实现量子霸权“不应该被误解为量子计算将为经济和社会做出巨大贡献的决定性时刻。我们仍需要做大量艰苦的科学工作。”
当然，这还是属于应用科学范畴。量子霸权这一概念提出了一个值得深思的理论难题，但是并没有揭示量子计算机最终能够为社会做些什么。
5分钟让你明白量子计算机是什么
量子计算机最近是大新闻，几乎每周我们都能听到关于其稳定性和运算能力的新进展。但对许多人来说，量子世界是神秘而令人迷惑的。在Nature Outline-量子计算中，我们用信息化图示和视频介绍经典计算和量子计算之间的差异，并向读者介绍量子计算领域的基本术语。
我们的电脑还能怎么更先进？随着越来越多的智能操作系统走下银幕，走进普通人的家中，看上去电脑可以解决任何问题。但实际上，很多科技领域的进步是有限的，因为目前的电脑效率太低。即使是最强大的超级计算机，当存在太多相互作用的元素时，也不能准确地计算出新材料，化学结构或生物系统的性质。
我们需要一种新型的计算方式，把计算机试图克服的这种复杂性给利用起来。量子计算机这个概念的第一次提出是20世纪80年代，当时有人提出也许可以根据量子物理学而不是经典物理学来构建计算机。但是这种方法需要组装和控制量子系统——这是一项非常困难的任务。通常，量子现象只出现在物质基本组成部分的水平上，如原子和电子。
但是，一旦建立起了量子系统，它们将提供大量的可能性。描述区区几百个粒子的一般量子态，所需变量的数量就超过了宇宙中的原子数。没有任何经典计算机能有内存来存储这么多的信息。但是，如果丰富的量子状态被用于编码信息，就能打开计算的全新世界。模拟材料和分子的行为将变得容易，大型数据库的快速搜索和全新的密码学方法也不在话下。
过去二十年来，人们在分离，操纵和测量可形成量子计算机基础的元素方面取得了稳步的进展，无论是单个量子实体，如原子，电子或光子，还是显示量子力学行为的人造系统，如半导体结构或微型电子电路。研究人员现在已经有了量子计算机可以工作的原则证明，但是接下来要解决的前所未有的挑战的规模之巨大也是很明显的。
世界各地的物理学家，数学家，计算机科学家和工程师正在试图解决这样一个问题——该如何构建和操作一个足够大的量子计算机，从而能够在一些任务中打败经典计算机。商业公司也参其中。最终的量子计算机会是什么模样，它将使用哪种量子系统，以及它究竟能解决哪些问题依然悬而未决。所有这一切都在推动各种激动人心的研究。
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