20世紀40年代，現代計算機之父馮·諾依曼提出二進制，首次在全球范圍內掀起了一股計算機熱，現代計算機的發展緩緩拉開序幕。1946年馮·諾依曼發明第1代計算機以來，現代計算機依次經歷了電子管數字機、晶體管數字機、集成電路數字機和大規模大規模集成電路計算機四個階段，計算機的應用領域也從軍事和科學研究，走進了千家萬戶。1970年以來，由于集成電路技術的大規模發展，半導體芯片可集成的晶體管數量越來越多，計算機設備越來越小，功能越來越強大。尤其是超級計算機的實現，為并行處理超大量數據帶來了可能。然而，即便是每秒可運算一億次的超級計算機，還是不能滿足科學家的野心。和經典計算機相比，量子計算機的核心優勢就在于：更快！1）經典計算機采用二進制，只有0和1，相當于一個人有2雙手，一次只可以做一件事。即便是通過超級計算機，運算能力也是按倍數增長。2）量子計算機采用量子相干疊加原理，運算能力以指數增長。以10個超導量子比特的量子計算機為例，相當于一個人有210=1024只手同時開工。2019年9月20日，NASA官網意外發布了一條關于谷歌的爆炸性新聞。很快，這條新聞被刪除，給人留下了巨大懸念。直到2019年10月23日，重磅新聞終于來了。Nature封面全球宣告、世界主流媒體頭版頭條、谷歌CEO親自官宣：谷歌實現量子霸權！（Quantum Supremacy，也稱量子優越性）2019年10月，谷歌量子計算機登上Nature封面在這篇出盡風頭的Nature封面論文中，谷歌宣布其研究人員使用他們的53位量子計算機解決了一個特定的抽象問題，超越任何經典計算機，最新的量子計算機運行200秒，相當于目前最強大的超級計算機運行一萬年，堪稱量子超級計算機的里程碑！量子霸權英文為Quantum Supremacy，也稱量子優越性，主要是指量子計算機對傳統經典計算機的技術優越性，是指新技術對傳統技術的霸權。“量子霸權”的翻譯確實有吸引眼球之嫌，但是在當前國際科技競爭的大背景下，量子計算對經典計算的絕對優勢演變成國與國之間量子計算領域的競爭，也不能不提前擔憂。
那么，從技術的角度而言，谷歌真的實現量子霸權了嗎？贊美者有之，不外乎：谷歌一小步，人類一大步；量子計算里程碑之類。1）最近幾年，每一年都在宣布量子霸權，這次不過是拉上了Nature站臺，動靜鬧得比較大而已，并沒有什么實質性的進展。2）0.1%的保真度，誤差三個量級，實現了一個抽象問題的計算，連計算結果都沒有，也沒有說明有什么計算意義。3）量子計算200秒=地表最強超算1萬年，簡直是胡扯。按照谷歌的這個計算，IBM的超算只要2.5天就能實現。谷歌量子霸權的Nature論文一出，旋即引來無數口誅筆伐，毀譽參半。或許，只有業內人士才真正懂得，量子計算機究竟經歷了些什么。當今科技，量子計算機便是最大的一頭鹿。逐鹿量子計算機，谷歌最大的競爭對手，非IBM莫屬。長期以來，IBM就是計算機領域的絕對霸主。但是他們的關公和宣發能力貌似確實不夠，讓谷歌搶了風頭。為了扳回一城，最近，IBM宣布他們已經實現了包含65個量子比特的量子計算機，這是目前為止公開報道的最大量子計算機。更重要的是，IBM公開宣布了他們的量子計算機開發“路線圖”：IBM研究總監Dario Gil表示，他有信心他的團隊能夠遵守這個時間表：“路線圖不僅僅是一個計劃和一個PPT演示，而是執行。”除了IBM之外，國內外還有很多創業公司都在發力量子計算機。數十家量子計算初創公司使用IBM當前的機器開發自己的軟件產品，了解IBM的時間表應該有助于開發人員更好地根據硬件調整他們的工作。當然， IBM也不是唯一一家設計量子計算機發展路線圖的公司。谷歌也有自己的計劃，在10年內建造一臺100萬比特的量子計算機。研究人員說，一臺1000比特的機器是成熟的量子計算機發展中一個特別重要的里程碑。1000量子比特，不足以發揮量子計算的全部潛力，還無法打破當前的互聯網加密方案，但它已經足夠發現并糾正過分繁瑣的量子比特的無數錯誤。普通計算機中的1比特是一個可以設置為0或1的電子開關。相比之下，量子比特是一種量子設備——在IBM和Google的機器中，每個都是冷卻到接近絕對零度的超導金屬的微小電路——可以設置為0、1，或者，由于量子力學的特定規則，同時設置為0和1。但是與環境的最輕微的相互作用往往會扭曲這些微妙的雙向狀態，因此研究人員開發了糾錯協議，以一種“邏輯量子位”的狀態可以無限期保持的方式，將編碼在物理量子位中的信息傳播給其中任何一個。領導IBM量子計算工作的物理學家Jay Gambetta說，有了他們計劃中的1121量子位機器，IBM研究人員將能夠維護少數邏輯量子位，并使它們相互作用。這正是制造一臺擁有數千個邏輯量子位的成熟量子計算機所需要的。Gambetta說，這樣一臺機器將標志著一個“拐點”，在這個拐點上，研究人員的注意力將從降低單個量子位的錯誤率轉向優化整個系統的架構和性能。 IBM的研究人員已經為一臺巨型低溫恒溫器安裝了安裝硬件，這種低溫恒溫器大到足以容納一臺擁有一百萬個量子位的量子計算機。IBM已經在準備一臺巨型液氦冰箱或低溫恒溫器，以容納一臺擁有100萬量子位的量子計算機。IBM路線圖沒有具體說明何時可以制造這樣的機器。但是，如果公司研究人員真的能在未來兩年內制造一臺1000個量子位的計算機，這個最終目標聽起來將更加實際可靠。然而，對于量子計算機而言，想要快，并沒有那么簡單。40多年來，總是有科學家和工程師夢想：有一天，他們將建造一臺成熟的量子計算機，能夠進行有用的計算，超過任何傳統的超級計算機。但是，直到目前位置，最先進的量子計算機也只有幾十個量子比特，實在是太少了。想要超越經典的超級計算機，還有很長的路要走：1）量子計算機運行，一般在真空環境、接近結對零度的溫度，以及磁場保護的條件。或許要等到高溫超導等一系列革命性量子技術突破，量子計算機才能迎來更多可能。2）量子計算機目前對算法依賴度過高，只能解決少量特定的問題，對于經典計算機中存在的一些棘手的問題，還無法有效解決。3）實現更大量子比特的量子計算機，讓計算能力真正超越經典計算機。Adrian Cho, et al. IBM promises 1000-qubit quantum computer—a milestone—by 2023, Science , 2020.DOI: 10.1126/science.abe8122https://www.sciencemag.org/news/2020/09/ibm-promises-1000-qubit-quantum-computer-milestone-2023
