量子霸权：谷歌与IBM的量子比特竞赛

谷歌宣布实现了量子霸权，即量子计算机解决了经典机器在实际上无法处理的问题。这篇论文曾短暂出现在NASA.gov上，随后被《财富》杂志获取。论文描述了一款名为Sycamore的处理器，拥有53个量子比特。

数字本身并非重点。截至2019年9月谷歌公开这一声明时，这场竞赛已围绕量子比特数量、布线技巧和错误率发布了一系列公告，且每则公告都附带保留意见。加州大学圣塔芭芭拉分校物理学家John Martinis领导谷歌的这一项目。他在2017年12月于NASA艾姆斯研究中心举行的Q2B会议上表示：“新闻稿总是谈论量子太空竞赛中的量子比特数量。”他补充道：“这不仅仅是数量，更是量子比特的质量。”

两年前的一次六量子比特测试

《麻省理工科技评论》2017年4月报道，Martinis给自己设定了几个月期限，旨在达成计算史上的一个里程碑。他在谷歌约25人的团队制造了一枚六量子比特芯片，排成2x3网格。布局至关重要，因为这是首次测试量子比特并排放置时是否仍能正常工作。在更大的设备中，它们必须并排排列。

该芯片还测试了一种制造方法：量子比特和控制它们的常规布线分别在不同芯片上制造，随后通过凸点键合连接。据同一篇报道，谷歌团队自该小组成立两年多以来一直专注于此方法。目标是消除可能干扰量子比特功能的额外控制线。Martinis当时表示：“该流程完全可行。”他接着说：“现在我们要加快步伐。”

当时，谷歌已展示过用九个量子比特排成一行进行量子计算。Martinis表示，霸权实验需要49个量子比特组成的网格。30至50量子比特的设备设计已在进行中。

IBM以50量子比特回应

IBM率先行动。2017年11月10日，美联社报道IBM科学家制造并测量了一枚50量子比特处理器原型。领导IBM量子计算与人工智能研究部门的Dario Gil表示，这是首次有公司制造出该规模的量子计算机。未参与该研究的麻省理工学院机械工程教授Seth Lloyd认为，IBM可能仍需排除故障，但他称这一公告标志着重大进展。

谷歌几周后在Q2B会议上作出回应。Martinis说，他的团队当月正在制造一台49或50量子比特的霸权设备，预计两周后开始测试，未计入圣诞假期延误。他还描述了该设备要解决的问题。团队将使量子比特纠缠，让系统随时间演化，然后测量结果。在经典计算机上模拟这些结果需要数周，而量子机器仅需几分钟。这一差距同时证明了规模和量子比特质量。

并非所有人都将量子比特数量视为有用的记分牌。马里兰大学教授、量子计算初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe对《麻省理工科技评论》表示：“这将是一个学术里程碑。”他补充道：“之后你仍需弄清楚如何使其更具可扩展性和可编程性。”

2019年的宣称与反驳

谷歌论文指出，其处理器对一个量子电路实例采样一百万次约需200秒，而最先进的超级计算机完成同等任务需约1万年。研究人员估计，同样的实验在谷歌云服务器上需50万亿小时。在量子处理器上，耗时仅30秒。他们写道：“据我们所知，该实验标志着首次只能在量子处理器上完成的计算。”

IBM的Gil拒绝这种框架。他对《财富》表示：“该实验和‘霸权’一词几乎会被所有人误解。”他将其描述为高度特殊的实验室实验，无实际应用，并指出量子计算机将与经典机器协同工作，而非凌驾其上。英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称该结果是一个值得注意的里程碑，并表示商业可行的量子计算机还需更多进展。他说：“虽然开发仍处于这场马拉松的第一英里，但我们坚信这项技术的潜力。”

《自然》2019年10月发表该结果后，谷歌发布博客文章，既庆祝又谨慎。文章将量子工作追溯至2006年，当时科学家Hartmut Neven开始探索该技术如何加速机器学习，并指出Martinis及其圣塔芭芭拉团队于2014年加入。文章称实际应用仍需多年。它还提到，2018年10月南加州山火期间实验室被迫关闭，帮助团队在进展放缓后重新调整。

商业时间表依然模糊。2019年美国物理学会三月会议上，IBM表示其搭载20量子比特处理器的Q System One已达到16的量子体积，是早期IBM Q机器8的两倍。量子体积综合考量量子比特数量、连接性、相干时间、门与测量错误、设备串扰及编译器效率。IBM称，该指标需每年翻倍，才能在未来十年内达到量子优势，且自2017年以来，其量子计算机能力每年翻倍。

ZDNET报道称，实际且广泛的应用场景仍需数年。这大致就是该领域目前的处境。一个里程碑，即便是真实的里程碑，也不是产品。