量子霸权：谷歌、IBM及竞争对手如何追逐量子比特里程碑

谷歌量子研究组负责人John Martinis在2017年4月告诉MIT Technology Review，他的大约25人团队将在当年年底前建造一台具备“量子霸权”能力的设备。目标是49量子比特的网格。当时他手头展示的硬件只有6个。

承诺与硅片之间的差距，是观察量子计算里程碑竞赛的一个有用视角。到十年末，这变成了一场关于词汇的竞赛，而不仅仅是物理。谷歌、IBM、英特尔、微软和一批初创公司各自推出了自己的进步指标。数字在变，定义却没有定下来。

六量子比特的垫脚石

谷歌的六量子比特芯片由Martinis在加利福尼亚州伯林盖姆的IEEE TechIgnite大会上介绍。其量子比特排成2x3配置。重点不是原始数量，而是证明当量子比特并排放置时，技术仍然有效，正如大型设备所需。该芯片还测试了一种制造方法：量子比特和控制它们的传统布线在不同芯片上制造，然后通过“凸点键合”连接。谷歌团队自成立仅两年多以来就专注于这种方法，旨在消除可能干扰量子比特功能的额外控制线。

“该流程全部运行正常，”Martinis告诉MIT Technology Review，“现在我们要快速推进了。”

Martinis于2014年底从加州大学圣巴巴拉分校加入谷歌，他在那里仍保留教授职位。麻省理工学院量子计算研究组首席研究员Simon Gustavsson描述该领域的领导地位“谷歌和IBM之间相当可比”。马里兰大学教授、初创公司IonQ联合创始人Chris Monroe对霸权演示意味着什么直言不讳：“那将是一个学术里程碑。之后你仍必须弄清楚如何使其更具可扩展性和可编程性。”

Martinis同意还有很多工作要做。他认为该实验可以成为任何声称拥有工作量子计算机的人的基准，并表示该目标帮助谷歌经理和联合创始人Sergey Brin认识到技术正在变得现实。“他们都明白了，并且对此非常兴奋，”他说。

IBM以50量子比特回应

IBM率先在头条数字上取得进展。2017年11月10日星期五，领导IBM量子计算和人工智能研究部门的Dario Gil表示，该公司科学家已成功构建并测量了一个具有50量子比特的处理器原型。根据The Seattle Times转载的美联社报道，Gil称这是任何公司首次在该规模上构建量子计算机。

麻省理工学院机械工程教授Seth Lloyd没有参与IBM的研究，他说IBM可能仍有故障需要解决，但该公告是重大进展的标志。文章没有提供性能声明的独立验证。

一个月后，在NASA艾姆斯研究中心举行的首届量子计算商业会议上，Martinis反驳了将量子比特计数作为记分牌的做法。“新闻稿总是谈论量子空间竞赛中的量子比特数量，”他根据Gizmodo的报道说，“不仅仅是数量，更是量子比特质量。”

Gizmodo在2017年12月8日报道，谷歌当时正在制造其49或50量子比特的霸权设备，测试将在两周内开始，不包括圣诞节假期延误。文章还概述了测试将涉及的内容：纠缠量子比特，让系统演化，并采样结果，其概率分布复杂到经典机器必须模拟量子计算机来检查，可能需要数周才能完成量子设备几分钟内完成的任务。加州理工学院理论家John Preskill出席了会议，将这一时刻描述为NISQ时代，即嘈杂、中等规模量子计算机。

霸权声明，随后被质疑

声明出现在2019年9月。Fortune获得了一份谷歌论文的副本，该论文在当周早些时候被发布到NASA.gov，随后被撤下。谷歌发言人拒绝确认论文的真实性和结果。一位熟悉情况的谷歌消息人士暗示NASA在可能耗时数周到数月的同行评审之前意外提前发布了它。金融时报首次报道了该消息。

论文的核心数字很鲜明。“虽然我们的处理器采样量子电路的一个实例100万次大约需要200秒，但最先进的超级计算机执行等效任务大约需要10,000年，”研究人员写道。名为Sycamore的芯片包含53个量子比特。团队从名为Bristlecone的72量子比特设计缩减而来。研究人员估计，在谷歌云服务器上，相同的实验将需要50万亿小时；在量子处理器上，则需30秒。他们写道，量子加速“在现实系统中是可行的，并未被任何隐藏物理定律阻止”，并预测量子计算能力将以双指数速率增长，快于摩尔定律。

并非所有人都接受这种框架。IBM研究负责人Dario Gil告诉Fortune，该实验是一个高度特殊案例的实验室演示，具有“无实际应用”，并建议不要使用量子霸权作为进步指标。“该实验和‘霸权’一词将被几乎所有人误解，”他说。“量子计算机永远不会在经典计算机之上‘统治’，而是将与它们协同工作，因为每个都有各自独特的优势。”英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke称其为“一个显著的里程碑”，并表示商业可行的量子计算机需要更多的研发进步。“虽然发展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，”他说。

指标问题

IBM已经开始主张使用不同的标准。2019年3月，ZDNET报道，IBM在美国物理学会三月会议上概述了其迄今为止最高的量子体积。量子体积由量子比特数量、连通性和相干时间，加上门和测量误差、设备串扰和电路软件编译器效率决定。IBM表示，其配备20量子比特处理器的Q System One产生了16的量子体积，是当时当前IBM Q的8的两倍，并具有一些IBM测量到的最低错误率。IBM表示，量子体积需要每年翻倍，才能在接下来十年内达到量子优势，即量子应用比经典计算机提供显著优势的点。自2017年以来，它每年将量子计算机的功率翻倍。

这就是这场竞赛反复出现的形态。一家公司设定目标，错过日期，然后重新定义终点线。Martinis承诺在2017年底以49量子比特实现霸权。谷歌在2019年以53量子比特交付了声明。IBM以50量子比特原型回应，然后以综合指标回应，使量子比特数量成为几个输入之一。硬件是真实的。记分牌不是。