巨頭的游戲：搶占量子霸權(quán)

　　說到量子計(jì)算，可能許多人會(huì)感到陌生，陌生的并不是沒有聽過這個(gè)詞語，而是不明白它到底是什么，能做哪些事情。但對于一些大公司而言，擁有敏銳嗅覺的他們已經(jīng)明白了量子計(jì)算對于未來意味著什么。

　　疊加狀態(tài)的量子計(jì)算

　　量子計(jì)算是基于量子力學(xué)而來遠(yuǎn)超如今計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的一種新型計(jì)算模式，量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的信息量單位為比特(BIT)，同時(shí)也是二進(jìn)制數(shù)字中的位，信息量的度量單位，為信息量的最小單位，而量子計(jì)算機(jī)的信息量單位則為量子比特。

　　常規(guī)的比特有兩種形態(tài)，要么是“0”要么是“1”，而量子比特卻擁有不確定性，準(zhǔn)確來說是在于未觀測之前，其狀態(tài)是不確定的，可能是“0”也可能是“1”還有可能是“0”與“1”的疊加狀態(tài)，這也是量子力學(xué)的經(jīng)典假說薛定諤的貓，在沒有打開盒子之前，誰也不知道里面的貓是生還是死，而這個(gè)時(shí)候它將處于非死非活的疊加態(tài)。

　　計(jì)算力質(zhì)的飛躍

　　那么這樣相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有什么優(yōu)勢呢，由于量子不像半導(dǎo)體只能記錄兩種狀態(tài)，它能夠同時(shí)表示多種狀態(tài)，舉個(gè)例子，如果把半導(dǎo)體比作為單一樂器的話，量子計(jì)算機(jī)就像是交響樂團(tuán)，一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，只需要一個(gè)40量子比特的計(jì)算機(jī)，就能夠在很短的時(shí)間內(nèi)解開1024為計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年才能解決的問題。

　　量子計(jì)算主要應(yīng)用于復(fù)雜的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，以及量子加密的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)。隨著人工智能在各行業(yè)不斷落地深入，對算力的要求也大幅提升，量子計(jì)算可以進(jìn)行高速并行計(jì)算的優(yōu)勢，便尤為凸顯。

　　近日，在美國洛杉磯舉行的美國物理學(xué)年會(huì)上，Google發(fā)布了72量子比特的量子處理器“狐尾松”(Bristlecone)，稱這一設(shè)備未來可實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”(quantum supremacy)。“狐尾松”是谷歌此前9量子比特處理器的擴(kuò)展版本，采用了相同方案進(jìn)行耦合、控制和讀出，但被擴(kuò)展為72個(gè)量子比特的陣列。

　　量子霸權(quán)

　　這里面有一個(gè)重要的概念便是“量子霸權(quán)”，即它可以在一個(gè)明確的計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的問題上具有超越經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)。從計(jì)算復(fù)雜度理論的角度來看，這意味著超過目前最佳經(jīng)典算法的超多項(xiàng)式加速。

　　舉個(gè)例子，在區(qū)塊鏈中，尤其是基于區(qū)塊鏈技術(shù)而設(shè)計(jì)的比特幣上，其挖掘有一個(gè)特性，那便是在某個(gè)“礦工”達(dá)到整個(gè)挖掘運(yùn)算中51%算力的時(shí)候，產(chǎn)出的比特幣一定會(huì)被他所獲得，這樣便打破了比特幣發(fā)行所謂的公平性。

　　其次，由于量子計(jì)算在密碼破解上有巨大潛力。當(dāng)今主流的非對稱(公鑰)加密算法，如RSA加密算法，大多數(shù)都是基于大整數(shù)的因式分解或者有限域上的離散指數(shù)的計(jì)算這兩個(gè)數(shù)學(xué)難題。他們的破解難度也就依賴于解決這些問題的效率。

　　在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，要求解這兩個(gè)數(shù)學(xué)難題，需要花費(fèi)的時(shí)間是指數(shù)級，即破解時(shí)間隨著公鑰長度的增長以指數(shù)級增長。而量子計(jì)算機(jī)中的秀爾算法可以在多項(xiàng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行整數(shù)因式分解或者離散對數(shù)計(jì)算，即破解的時(shí)間隨著公鑰長度的增長以K次方的速度增長，而K為與公鑰長度無關(guān)的常數(shù)。這便是一種量子霸權(quán)。

　　進(jìn)軍量子計(jì)算的國內(nèi)外巨頭們

　　除了Google之外，美國的Intel、IBM等都在量子計(jì)算方面投入巨資大力研發(fā)。IBM在這個(gè)領(lǐng)域中鉆研最深，而Intel在今年CES上宣布將量子計(jì)算作為未來發(fā)展的主題之一。

　　不只國外對于量子計(jì)算情有獨(dú)鐘，國內(nèi)也在這片領(lǐng)域下了重注。近日，百度宣布成立量子研究所，計(jì)劃在五年內(nèi)建成世界一流水準(zhǔn)，并逐步將量子計(jì)算融入到業(yè)務(wù)中。

　　除了百度之外，騰訊與阿里也早早在此布局，騰訊與百度相同，都是采取自建量子實(shí)驗(yàn)室的模式，而阿里則是與中科院展開合作，在其共有云之上啟動(dòng)超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)，相關(guān)處理器擁有11量子位。

　　不過從中也能看出，在量子計(jì)算機(jī)核心的處理器上，我們自PC時(shí)代便一直落后于美國。阿里與中科院聯(lián)合研制的首個(gè)超導(dǎo)量子處理器也只有11個(gè)量子比特，與IBM成功研制的20量子比特的量子計(jì)算機(jī)，包括對外展示的50量子比特原型機(jī)，以及Intel在CES上宣布的制造的49量子比特超導(dǎo)測試芯片，Google即將推出的72量子位的量子計(jì)算機(jī)相比，仍然有極大的差距。

　　小結(jié)

　　量子通信和量子計(jì)算機(jī)是我國規(guī)劃的科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，也是國家實(shí)驗(yàn)室最早部署的研究領(lǐng)域之一。但是，就如今這種情況而言，全球范圍對量子霸權(quán)的競逐已經(jīng)來到了白熱化階段。我國雖然已經(jīng)在很早就開始著手量子計(jì)算方面的研究，但眼下的差距依然不是短時(shí)間就能彌補(bǔ)的。

　　知道差距的存在，更應(yīng)該奮起直追。而在這個(gè)領(lǐng)域中，底層技術(shù)的積累是非常緩慢的，無法如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)那樣借助人口紅利迅速發(fā)展，所以這一切都要看國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)與公司的共同努力，這場戰(zhàn)斗不會(huì)那么輕松。