如何看待谷歌实现量子霸权？

2019年10月23日，谷歌《Nature》（自然）该杂志的官方网站表示，其开发的量子计算机可以准确地控制53个量子比特，并在超导电路系统采样操作中控制当前超级计算机冠军
形成绝对优势，即实现“量子霸权”。谷歌“量子霸权”的实现展示了其控制量子比特的能力，为后续量子纠错和特殊量子计算机的应用奠定了基础。对我国来说，有必要梳理量子计算领域的进展和差距，加快特殊量子计算的发展。

谷歌声称率先实现量子霸权。

量子霸权翻译自Quantum
Supremacy，实际上翻译为量子优势更准确；是指量子计算机具有超越经典计算机的计算能力。此前，被NASA误发的谷歌“量子霸权”论文草稿于10月23日正式重新发表。与之前的草稿相比，官方论文增加了大量的技术细节。谷歌在论文中表示，它开发了一种由铝、锆、硅晶片和超导体(约瑟夫森结)组成的54量子比特数量子芯片。其中，53个量子比特和86个耦合器可以操作，其余1个量子比特不能正常工作。Sycamore可以在200秒内对一个53比特的超导电路系统进行100万次采样，而世界排名第一的超级计算机Summit需要1万年的时间才能完成计算。基于此，谷歌认为量子计算已经超越了经典计算，因此宣布实现量子霸权。

作为概念化的“里程碑”，量子霸权是专用量子计算机应用过程中的一个重要节点。谷歌草稿论文发表后，IBM发表了一篇博客文章，称谷歌实现量子霸权的夸大。一方面，谷歌假设超级计算机在比较Sycamore和Summit时会受到系统内存储数据量的限制，这是有偏见的。根据IBM的保守估计，Summit执行谷歌量子处理器的等效任务只需2.5天，而不是1万年。另一方面，即使Sycamore在超导电路系统采样计算中优于Summit，通用量子计算机的应用仍然很长，“霸权”一词可能会导致公众对量子计算的高期望。然而，谷歌的研究仍然具有重要意义，但谷歌控制53个量子比特的能力足以激励行业，表明量子计算机离应用又近了一步，为量子计算的发展注入了强心剂。

谷歌致力于量子计算研究，技术实力领先世界。基于超导电路系统的谷歌Sycamore系统，单比特错误率0.15%，双比特错误率0.36%，是世界上第一次在保持高保真度的前提下控制53个量子比特。此外，谷歌长期以来一直在量子计算领域投资，取得了重大突破，相关成果丰富。2018年3月5日，谷歌推出了72比特量子芯片Bristlecon，错误率达到1%；同年7月，谷歌发布了Python开源框架Cirq，可用于量子计算。谷歌最近在这里《Nature》合作期刊《npj
Quantum Information》上发表了《通过深度强化学习实现通用量子控制》(Universal Quantum Control through
Deep Reinforcement Learning)通用量子控制可以大大提高量子计算机的计算能力，提出结合深度强化学习的方法。

理论研究取得突破，处于高步跟跑状态。中国量子计算研究的参与者多为科研机构和大学，主要包括中国科技大学、浙江大学、中国科学院、清华大学、南京大学和北京计算科学研究中心，在相关领域取得了一定的成果。其中，在多光子纠缠领域，我国研究进展迅速，实现了18个光量子纠缠，在研究机构和核心论文数量方面也处于世界前列。然而，我国量子计算的基本技术实力仍落后于美国，特别是在基于超导技术的量子计算机物理实现方面，与国际领先水平仍存在较大差距。

市场化龙头企业参与度低，缺乏全面的战略布局。在量子计算领域的技术积累、研发投资和产业发展方向的战略布局方面，中国企业与国际先进水平存在很大差距。预计未来几年仍将跟进。近年来，虽然BAT等领先企业开始布局量子计算，但量子计算研究仍处于起步阶段，资本投资相对欧美企业较少，技术研发优先，缺乏综合战略布局，研发成果基于经典计算机量子模拟，与国际领先企业差距较大。

工业化关键技术与国际先进水平仍存在较大差距。一方面，超导量子计算、半导体量子点等全电力技术系统的工艺主要依赖于传统的集成电路工艺，但我国集成电路工艺起步较晚，仍存在重大技术障碍，量子工艺性能与欧美国家存在巨大差距。另一方面，与美国量子计算机硬件和软件的布局和重点相比，中国量子软件的研发能力、量子计算法和量子比特控制技术明显落后，严重制约了中国量子计算机的发展步伐，容易导致国际竞争中的被动状态。

面向特定领域的专用量子计算机有望率先成熟并获得应用落地，应增强发展信心。随着量子比特可控性的不断提高，未来谷歌量子霸权事件将继续出现，量子计算的发展前景将逐渐明朗。各研究机构对量子计算前景持乐观态度，继续投资量子计算领域：跟随谷歌量子霸权事件，D-Wave系统公司宣布，新一代5000比特量子退火计算机将首次出售给洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL);美国国家航空航天局正在与谷歌等公司合作，摩根大通和戴姆勒正在测试IBM的量子计算硬件，希望用量子计算机完成任务调度或探测系外行星。在后量子霸权时代，量子计算可以应用于探索更多现有经典计算机无法进行但更具开拓性的研究领域，这也意味着人类即将进入量子技术发展的关键新时代。

加快我国量子计算等前沿领域的研发、投资和产业化布局。量子计算领域的谷歌、IBM等领导者一直在为量子计算投入巨资，其成果也值得肯定。因此，有必要增强信心，进一步促进我国量子计算的发展。一是推动国内龙头企业积极开展量子计算产业布局，组织工程技术研发，加大研发投入，培育一批量子计算骨干企业。二是集中优势资源攻克技术薄弱环节，注重量子比特的规模和性能，提高量子比特的相关时间，
在噪声环境下实现高保真度量子逻辑门等技术瓶颈。第三，加强专业人才梯队建设的综合布局，不仅培养一批本地高端技术人才，而且基于市场环境，聚集世界上最好的量子计算专家。