划重点
- 2019 年 10 月底，谷歌宣布其名为 Sycamore 的芯片已经成功实现“量子霸权”。
- IBM 认为，“量子霸权”只是单一的里程碑，而“量子优势”则是“连续性的里程碑”。
- 谷歌和 IBM 不仅要努力增加提高量子计算机性能的量子比特数量，还要利用各自的优势克服各种挑战。
帮助谷歌实现“量子霸权”的量子计算机内部构造图
腾讯科技讯，2 月 28 日消息，据外媒报道，谷歌最先进的电脑设备并未被安放在该公司位于美国加州山景城的总部，也不在硅谷狂热蔓延的任何地方，而是在距离圣巴巴拉县以南几个小时车程的所在，那里有个平坦、毫不起眼的办公园区，里面入驻的大多是我们从未听说过的科技公司。
在那里，一间开放式办公室容纳了几十张桌子，还有个室内自行车架和指定的“冲浪板停车位”，冲浪板放在从墙上伸出的支架上。宽阔的双门通向教室大小的实验室，在那里摆放的电脑架和杂乱无章的仪器中，几个圆柱形容器（略大于油桶）悬挂在减振钻机上，就像巨大的钢蛹一样。
其中一个圆柱形容器的外壳已经被移除，暴露出由钢和黄铜组成的多层次、错综复杂的内部结构，它被称为“枝形吊灯”。它基本上就是台增压冰箱，每往下一层都会变得更冷。在容器底部，保持在绝对零度以上、一根头发宽度的真空中，可以用肉眼看到类似普通硅片的东西。但它上面没有刻蚀晶体管，而是蚀刻了微小的超导电路，在这种低温下，它们的行为就像是遵守量子物理定律的单个原子一样。这就是量子比特，也就是量子计算机的基本存储单元。
2019 年 10 月底，谷歌宣布其名为 Sycamore 的芯片已经成功实现“量子霸权”，即通过在传统电脑上几乎不可能执行的任务来展示量子计算机的优势。尽管这个芯片上只有 53 个量子比特，但它在几分钟内就完成了一项计算，根据谷歌的说法，这项任务需要世界上现存最强大的超级计算机 Summit 计算 10000 年。谷歌宣称这是一项重大突破，甚至将其比作苏联发射 Sputnik 或赖特兄弟实现首次飞行，这是一个新时代机器的门槛，将使今天最强大的计算机看起来就像算盘那样落后。
在圣巴巴拉实验室举行的新闻发布会上，谷歌团队兴高采烈地回答了记者近三个小时的提问，但他们的幽默感并不能完全掩盖潜在的紧张情绪。此前两天，谷歌在量子计算领域的主要竞争对手 IBM 的研究人员，用“鱼雷”破坏了谷歌的好心情。他们发表了论文，指责谷歌员工计算错误。IBM 估计，Summit 只需要几天而不是上万年，就可以复制 Sycamore 所做的事情。当被问及对 IBM 的估计有何看法时，谷歌团队负责人哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)刻意避免直接回答。
你可以对此不屑一顾，认为这只是一场学术争执。从某种意义上说，它确实是这样。即使 IBM 是对的，Sycamore 的计算速度仍然比 Summit 快 1000 倍。谷歌可能只需要几个月的时间就会制造出体积更大的量子机器，并向怀疑者证明。然而，IBM 更深层次的反对并不是说谷歌的实验没有声称的那么成功，而是一开始它就是毫无意义的测试。与大多数量子计算界不同的是，IBM 并不认为“量子霸权”是这项技术的“赖特兄弟时刻”，事实上，它甚至不相信会有这样的时刻。
相反，IBM 正在追逐一种截然不同的成功衡量标准，它称之为“量子优势”。这不仅仅是措辞上的不同，甚至是科学上的不同，而是哲学立场上的分歧，植根于 IBM 的历史、文化和雄心壮志中。也许还有这样一个事实，即八年来，IBM 的收入和利润始终在下降，而谷歌及其母公司 Alphabet 的相关数字却在增长。在这样的背景下，以及各自不同的目标，可能会影响两者在量子计算竞赛中谁会处于领先地位。
一场宏大的实验
量子计算机的基本构件是量子比特。在传统计算机中，一个比特可以存储 0 或1，而一个量子比特不仅可以存储 0 或1，还可以存储一种被称为“叠加”的中间状态，这可以让它采用许多不同的值。一个类比是，如果信息是彩色的，那么传统比特可能是黑色或白色。当量子比特叠加时，它可以成为光谱上的任何颜色，也可以在亮度上有所不同。
其结果是，与传统比特相比，量子比特可以存储和处理大量信息。当这些将量子比特连接在一起时，容量会呈指数级增长。在谷歌的 Sycamore 芯片上存储 53 个量子比特中的所有信息，将需要大约 72PB (720 亿 GB)的传统计算机内存。不需要太多的量子比特，其存储和处理能力就可与行星大小的传统计算机相媲美。
但量子比特并非没有缺点。量子比特相互之间的作用更微妙，且容易受到干扰，需要与热、振动和杂散原子几乎完全隔绝，这就是谷歌量子实验室“枝形吊灯”冰箱的由来。即便如此，它们在“解码”并失去“叠加”状态之前最多也只能工作几百微秒。量子计算机并不总是比传统计算机快，它们只是不同的机器，执行某些任务时快一些，其他任务时则会慢一些，并且需要不同种类的软件。要比较它们的性能，我们必须编写近似模拟量子的经典程序。
在其实验中，谷歌选择了一种名为“随机量子电路抽样”的基准测试。它生成数百万个随机数，但带有轻微的统计偏差，这是量子算法的一个标志。如果 Sycamore 是个袖珍计算器，那就相当于随机按下按钮，检查显示屏是否显示了预期的结果。
谷歌在自己的大型服务器场和位于橡树岭国家实验室的世界最大超级计算机 Summit 上模拟了其中的一部分。研究人员估计，Sycamore 需要 200 秒时间完成全部工作，而 Summit 顶峰大约需要 1 万年，这就是“量子霸权”。
那么 IBM 的反对理由是什么呢？基本上，让一台传统计算机模拟量子计算机有不同的方法：你编写的软件，你切割和存储数据的方式，以及你使用的硬件，都会对模拟的运行速度产生很大影响。IBM 表示，谷歌假设模拟将需要被分成很多块，但 Summit 拥有 280PB 的存储空间，足以同时容纳 Sycamore 的整个状态。IBM 建造了 Summit，所以它对此非常了解。
截然不同
位于纽约市北部郊区的 IBM 托马斯-沃森研究中心(Thomas J.Watson Research Center)是芬兰建筑师埃罗·萨里宁(Eero Saarinen)的新未来主义杰作，它光滑、蜿蜒的曲线与谷歌团队不起眼的挖掘工作相去甚远，两者有着天壤之别。这栋建筑于 1961 年完工，当时 IBM 用大型机制造了大量产品，它具有博物馆般的品质，提醒每个在里面工作的人，从分形几何到超导体，再到人工智能和量子计算，该公司在各个领域都取得了突破。
IBM 追求所有的“量子优势”芯片
这个拥有 4000 多人的研究部门的负责人是西班牙人达里奥·吉尔(Dario Gil)，他的连珠炮似的演讲速度总是能让人感受到他的热情。在接受采访时，他经常滔滔不绝地讲述 IBM 取得的历史里程碑，旨在强调 IBM 参与量子计算相关研究的悠久历史。
但几十年来，IBM 却难以将其研究成果转化为商业成功案例。以最近的超级计算机 Watson 为例，IBM 试图将其转变为机器人医学大师。该公司的目的是在海量的医疗数据中提供诊断并确定趋势，不过尽管与医疗保健提供者建立了数十个合作伙伴关系，但几乎没有商业应用，即使是那些确实出现的应用也产生了好坏参半的结果。
按照吉尔的说法，量子计算团队正试图通过并行研究和业务开发来打破这种循环。几乎当它有了可以工作的量子计算机时，它就开始通过将它们放到云端，让外人能够访问它们。在云端，可以通过在网络浏览器中工作的简单拖放界面来对它们进行编程。“IBM Q Experience”于 2016 年推出，现在由 15 台公开发售的量子计算机组成，大小从 5 个量子比特增至 53 个量子比特不等。每月约有 12000 人使用它们，从学术研究人员到在校儿童。IBM 表示，它已经有 100 多个客户通过付费来使用大机器。
这些设备或世界上任何其他量子计算机(除了谷歌的 Sycamore)，都没有显示出它们在任何方面都能击败传统计算机。对 IBM 来说，这不是现在的重点，该公司需要让这些机器在网上可用，让公司了解未来的客户可能需要从它们那里获得什么，并允许外部软件开发人员学习如何为它们编写代码。这反过来又有助于它们的发展，使随后的量子计算机变得更好。
IBM 认为，这个周期是实现其所谓“量子优势”的最快途径。在未来，量子计算机不一定会把传统计算机抛诸脑后，而是会更快或更高效地做些有用的事情，足以使它们在经济上物有所值。IBM 表示，“量子霸权”是一个单一的里程碑，而“量子优势”则是“连续的里程碑”，是个能够逐渐扩大的可能性世界。
这就是吉尔关于 IBM 宏伟的统一理论：通过将其传统、技术专长、他人的智慧和对商业客户的奉献相结合，它可以比任何人更快、更好地制造有用的量子计算机。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家斯科特·亚伦森(Scott Aaronson)说，从这种观点来看，IBM 认为谷歌的“量子霸权”演示只是“室内把戏”。充其量，这只是一种从真正需要进行的工作中转移注意力的浮华现象。在最坏的情况下，这甚至是一种误导，因为它可能会让人们认为量子计算机可以在任何事情上击败传统计算机，而不是局限于非常狭隘的任务上。吉尔说，对于“霸权”这个单词，公众很可能产生误解。当然，谷歌对此的看法截然不同。
艰难起点
谷歌在 2006 年首次接触量子问题时还只是刚刚成立 8 年的初创公司，直到 2012 年才成立专门的量子实验室。同年，加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)创造了“量子霸权”这个词。
谷歌实验室的负责人是德国计算机科学家哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)，他有着威严的风度，喜欢“火人节”式的别致。有时候他会穿着毛茸茸的蓝色外套，甚至穿着全银色的服装，让他看起来像个邋遢的宇航员。
最初，奈文购买了由外部公司D-Wave 制造的机器，并花了一段时间试图在它上面实现“量子霸权”，但没有成功。他说，2014 年，他说服时任谷歌首席执行官的拉里·佩奇(Larry Page)投资建造量子计算机，承诺谷歌将接受普雷斯基尔的挑战。奈文回忆称：“我们告诉佩奇，三年后我们会回来，在你的桌子上放上原型芯片，至少可以计算传统计算机无法处理的问题。”
由于缺乏 IBM 的量子专业知识，谷歌从外部聘请了一个团队，由加州大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马蒂尼斯(John Martinis)领导。马蒂尼斯和他的团队已经跻身世界上最好的量子计算机制造团队之列，他们成功地将最多 9 个量子比特串连在一起，内文对佩奇的承诺似乎是他们瞄准的目标。
三年的最后期限一拖再拖，因为马蒂尼斯的团队努力制造出足够大和足够稳定的芯片来迎接挑战。2018 年，谷歌发布了迄今为止最大的量子处理器 Bristlecone。凭借 72 个量子比特，它远远领先于竞争对手制造的任何产品，马蒂尼斯预测同年它将实现“量子霸权”。但有些团队成员一直在并行开发一种不同的芯片架构，名为 Sycamore，最终证明能够用更少的量子比特做更多的事情。因此，53 量子比特的芯片（最初是 54 个，但其中一个发生了故障）最终在去年秋天实现了目标。
出于实际目的，演示中使用的程序实际上毫无用处：它生成随机数，这不是你需要量子计算机来做的事情。但它以一种传统计算机很难复制的特殊方式生成它们，从而建立了概念证明。
问 IBM 研究人员他们对这一成就的看法，你会看到痛苦的表情。IBM 量子团队负责人、说话谨慎的澳大利亚人杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)说：“我不喜欢量子霸权这个词，也不喜欢它的含义。问题在于，几乎不可能预测任何给定的量子计算对于传统计算机来说是否会很难，所以在一个案例中实现量子霸权并不能帮助你证明其在其他案例中同样有效。”
对于与 IBM 以外的每个人交谈过的人来说，这种拒绝将“量子霸权”视为重大成就的做法近乎固执。奈文说：“任何想要推出具有商业意义产品的人，都必须首先展示他们的霸主地位，我认为这只是基本的逻辑。”甚至连温文尔雅的麻省理工学院物理学家威尔·奥利弗(Will Oliver)也说：“这是个非常重要的里程碑，它展示了量子计算机在某些任务上的表现优于传统计算机，无论是什么任务。”奥利弗始终是这场争论中最公正的观察者之一。
量子飞跃
奥利弗说，不管你是否同意谷歌或 IBM 的立场，下一个目标是明确的，即建造一台可以做些有用事情的量子计算机。人们希望，这些机器有一天能够解决更多问题，这些问题需要更强大计算能力，比如模拟复杂分子以帮助发现新药和新材料，或者实时优化城市交通流量以减少拥堵，亦或者是进行长期的天气预报。
最终，他们可能能够破解今天用于保护通信和金融交易的密码，尽管到那时，世界上大多数国家可能已经采用了量子抵抗密码技术。但问题是，几乎不可能预测第一个有用的任务是什么，或者需要多大的计算机来执行它。
这种不确定性既与硬件有关，也与软件有关。在硬件方面，谷歌估计其目前的芯片设计可以使其达到 100 到 1000 量子比特之间。然而，正如汽车的性能不仅仅取决于发动机的大小一样，量子计算机的性能也不仅仅是由其量子比特的数量决定的。还有许多其他因素需要考虑，包括它们可以被阻止解码多长时间，它们有多容易出错，它们运行的速度有多快，以及它们是如何相互连接的。这意味着今天运行的任何量子计算机只实现其全部潜力的一小部分。
量子比特存储信息的方式就像筛子存储水一样，即使是最稳定的量子比特也会在几百微秒内“解码”或脱离脆弱的量子态。甚至在那之前，错误就开始堆积起来。这意味着量子计算机在陷入停顿之前只能做这么多的运算。谷歌更大的芯片在 30 到 40 微秒后解码，足以让它们通过多达 40 个量子逻辑门的序列。IBM 的速度可以达到 500 微秒，但它们处理门的速度也更慢。
与此同时，量子计算机的软件和机器本身一样处于初级阶段。在传统计算中，编程语言现在与早期软件开发人员必须使用的原始“机器代码”相差了几个级别，因为数据如何存储、处理和转移的细节已经标准化。领导谷歌团队软件工作的戴夫·培根(Dave Bacon)说：“在一台传统计算机上，当你对它进行编程时，你不需要知道晶体管是如何工作的。”
另一方面，量子码必须根据它将要运行的量子比特进行高度定制，以便最大限度地发挥它们无法预测的性能。这意味着 IBM 芯片的代码不会在其他公司的芯片上运行，即使是优化谷歌 53 量子位 Sycamore 的技术，也不一定会在未来的 100 量子比特机器上运行得很好。更重要的是，这意味着没有人能够预测这 100 个量子比特能够解决多难的问题。
任何人最敢于期待的是，在接下来的几年里，拥有几百个量子位的计算机将被开发起来，模拟一些中等复杂的化学物质，甚至可能足以推动新药或更高效电池的研究。然而，“解码”和错误将使所有这些机器在它们可以做任何真正困难的事情(如破解密码)之前就进入停顿状态。
这将需要一台“容错”量子计算机，一台可以纠正错误并保持自身无限期运行的量子计算机，就像传统计算机一样。预期的解决方案将是创建冗余：使数百个量子比特作为一个量子比特，处于共享的量子状态。总而言之，他们可以纠正单个量子比特的错误。当每个量子比特屈服于“解码”时，它的邻居会让它起死回生，在一个永无止境的相互复苏过程中循环。
典型的预测是，需要多达 1000 个相连的量子比特才能达到这种稳定性。这意味着要建造一台具有 1000 个量子比特能力的计算机，你实际上需要建造 100 万台。奈文说，谷歌“保守地”估计，它可以在 10 年内制造出百万量子比特的处理器，尽管还有些重大的技术障碍需要克服，包括 IBM 可能仍有超过谷歌的优势。
到那时，很多事情可能已经改变了。谷歌和 IBM 目前使用的超导量子比特可能会被证明是他们那个时代的真空管，取而代之的是更稳定可靠的东西。世界各地的研究人员都在试验制造量子比特的各种方法，尽管很少有人能够进展到可以建造可用量子计算机的程度。Rigetti、IonQ 或 Quantum Circuit 等竞争对手可能会在某项特定技术上发挥优势，超越更大的公司。
两大巨头的对决
谷歌和 IBM 的超导量子比特几乎完全相同，只有一个微小但潜在的关键区别。在谷歌和 IBM 的量子计算机中，量子比特本身都是由微波脉冲控制的。微小的制造缺陷意味着，没有两个量子比特响应完全相同频率的脉冲。对此有两种解决方案：改变脉冲的频率以找到每个量子比特的最佳位置，就像抖动锁中切割严重的钥匙直到它打开。或者使用磁场将每个量子比特“调谐”到正确的频率。
IBM 使用第一种方法，谷歌使用第二种方法，每种方法都有优缺点。谷歌的可调量子比特工作更快、更精确，但稳定性较差，需要更多电路。IBM 的固定频率量子比特更稳定、更简单，但运行速度更慢。从技术角度看，这几乎是个未知之谜，至少在这个阶段是这样。不过，就公司理念而言，这就是谷歌和 IBM 的不同之处。或者更确切地说，就是量子比特的特性。
谷歌选择了变得更灵活。奈文说：“总的来说，我们的理念更倾向于提高可控性，而不是牺牲人们通常寻找的数字。”另一方面，IBM 选择了可靠性。吉尔说：“做一个局限于实验室的实验和发表一篇论文，与建立一个可靠性高达 98% 的系统，在那里你可以一直运行，两者之间有很大的不同。”
目前，谷歌明显占据了优势。然而，随着机器变得越来越大，优势可能会转向 IBM。每个量子比特都由它自己的单独导线控制，一个可调谐的量子比特需要额外的导线。弄清楚几千或几百万个量子比特的布线将是两家公司面临的最严峻的技术挑战之一。IBM 表示，这是他们选择固定频率量子比特的原因之一。谷歌团队负责人马蒂尼斯指出，他个人在过去三年里始终在努力寻找布线解决方案。他开玩笑说：“这是一个如此重要的问题，我为此付出了努力。”
新的摩尔定律？
IBM 不计算量子比特，而是跟踪它所称的“量子体积”，这是一种衡量计算机实际可以处理问题复杂程度的指标。它的目标是保持这一衡量标准每年翻一番，这是著名摩尔定律的量子版本，IBM 以其首席量子理论家杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)的名字将该定律命名为“甘贝塔定律”(Gambetta‘s Law)。到目前为止，这个理论已经保持了三年，这就是戈登·摩尔（Gordon Moore）在 1965 年假设摩尔定律时所拥有的数据。
但考虑到它们的规模和财富，谷歌和 IBM 都有机会成为量子计算领域的重要参与者。公司将租用他们的机器来解决问题，就像他们目前从亚马逊、谷歌、IBM 或微软租用基于云的数据存储和处理能力的方式一样。开始时物理学家和计算机科学家之间的争斗将演变成商业服务部门和营销部门之间的竞争。
哪家公司最有可能赢得这场比赛？收入不断下降的 IBM 可能比谷歌有更大的紧迫感，它从痛苦的经历中知道了缓慢进入市场需要付出的代价：去年夏天，IBM 斥资 340 亿美元收购了开源云服务提供商红帽(Red Hat)，这是它有史以来最昂贵的一笔收购，目的是在该领域赶上亚马逊和微软，扭转其财务命运。IBM 将量子机器放到云端并从一开始就建立付费业务的战略，似乎是为了让它领先一步。
谷歌最近开始效仿 IBM，其商业客户现在包括美国能源部、大众汽车和戴姆勒。马蒂尼斯说，它没有早点这么做的原因很简单：“我们没有资源把它放到云端。”但这是另一种说法，它拥有不必将业务发展作为优先事项的底气。
这一决定是否会给 IBM 带来优势，现在下结论还为时过早，但可能更重要的是，这两家公司在未来几年将如何运用他们的其他优势来解决这个问题。吉尔说，IBM 将受益于其在从材料科学和芯片制造到为大公司客户服务的方方面面的“全套”专业知识。另一方面，谷歌可以夸耀硅谷式的创新文化和在迅速扩大运营方面的大量实践。
至于“量子霸权”本身，这将是历史上的一个重要时刻，但这并不意味着它将是一个决定性的时刻。毕竟，每个人都知道赖特兄弟的首次飞行，但有人能记得他们之后做了什么吗？ （腾讯科技审校/金鹿）
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