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來(lái)源：科普中央廚房 | 北京科技報(bào) 谷歌團(tuán)隊(duì)刊發(fā)在NASA官網(wǎng)上的論文中宣稱(chēng)已實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，但隨后被刪除。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算力量到底有多恐怖？何時(shí)能替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？ 據(jù)外媒報(bào)道，谷歌研發(fā)團(tuán)隊(duì)日前在一篇論文中稱(chēng)，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。雖然這篇刊發(fā)在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)上的論文隨后又被刪除，但已經(jīng)吊足了大家的胃口。 根據(jù)提前泄露的論文內(nèi)容，谷歌已經(jīng)能夠利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)。這一量子計(jì)算機(jī)在3分20秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運(yùn)算，如果讓目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)——美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Summit執(zhí)行同樣任務(wù)需要大約一萬(wàn)年時(shí)間。兩相比較，研究人員認(rèn)為，相對(duì)于所有已知的經(jīng)典算法而言，這種驚人的速度證明了計(jì)算性能上“量子霸權(quán)（quantum supremacy） ”的實(shí)現(xiàn)，預(yù)示著人們期待已久的量子計(jì)算范式的到來(lái)。 
▲在量子計(jì)算機(jī)游刃有余的強(qiáng)大算力前，超級(jí)計(jì)算機(jī)幾乎無(wú)法與之相提并論。（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)） 不過(guò)，這一消息還需要確認(rèn)，因?yàn)楣雀璧难芯空撐挠诒局芟忍峤恢罭ASA官網(wǎng)，但隨后被刪除。據(jù)報(bào)道論文從NASA被撤下的原因是，該研究還沒(méi)有經(jīng)過(guò)同行評(píng)審，按慣例，學(xué)術(shù)成果應(yīng)首先在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，才能用于新聞和大眾傳播。在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的前提又是需經(jīng)同行專(zhuān)家評(píng)審，而且評(píng)審過(guò)程一般需要數(shù)周或者數(shù)月時(shí)間。 盡管如此，從披露的研究?jī)?nèi)容來(lái)看，預(yù)示著量子科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新階段，而且如果論文通過(guò)審議并順利發(fā)表，說(shuō)明量子計(jì)算真的形成和實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，也對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的超級(jí)計(jì)算機(jī)（超算）也實(shí)現(xiàn)了全面和大規(guī)模的超越。從3分20秒完成超算1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)了8個(gè)數(shù)量級(jí)的跨越（1萬(wàn)年有5.256億分鐘），同時(shí)也打破了摩爾定律。 摩爾定律是指，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的芯片算力每18個(gè)月性能翻倍。這種翻番當(dāng)然也是指數(shù)級(jí)的，但是量子計(jì)算機(jī)更牛，是雙指數(shù)快速增長(zhǎng)，即增長(zhǎng)不是按2的冪增長(zhǎng)，而是按2的冪的冪增長(zhǎng)。 這個(gè)概念是谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室主任哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）在2019年5月的谷歌量子春季研討會(huì)上首次提出的，而且預(yù)言量子霸權(quán)會(huì)在2019年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)以雙指數(shù)增長(zhǎng)超越計(jì)算機(jī)的過(guò)程是兩個(gè)指數(shù)因子相互組合的結(jié)果，表現(xiàn)為，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有先天的指數(shù)優(yōu)勢(shì)。如果一個(gè)量子電路有4個(gè)量子比特，那么一個(gè)16比特的經(jīng)典電路才能與其計(jì)算能力等效；同時(shí)第二個(gè)指數(shù)因子源于量子處理器的快速演進(jìn)。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)就是量子計(jì)算機(jī)全面碾壓超算，以3分20秒比1萬(wàn)年，前者的計(jì)算能力和性能是后者的1.75億倍。而且，量子計(jì)算是結(jié)合了過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)兩個(gè)最大的技術(shù)變革，一是信息技術(shù)，二是量子力學(xué)。使用量子力學(xué)的規(guī)則替換傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)二進(jìn)制邏輯來(lái)計(jì)算，就可以攻克許多難以完成的計(jì)算任務(wù)。 如果量子計(jì)算機(jī)全面替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，則意味著今天計(jì)算機(jī)的三條原則將會(huì)改變。這三條原則是： （1）以二進(jìn)制的邏輯基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，以保證精度； （2）利用電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，以保證計(jì)算速度； （3）采用把計(jì)算功能和二進(jìn)制數(shù)更新存貯的功能相分離的結(jié)構(gòu)。 但是，量子計(jì)算或量子霸權(quán)有什么用呢？ 其一，如果進(jìn)入實(shí)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操縱的專(zhuān)用型量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物研發(fā)等。其二，進(jìn)入到通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。 從總體上看，如果能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，就意味著人類(lèi)已經(jīng)圓夢(mèng)量子計(jì)算機(jī)，將實(shí)現(xiàn)第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時(shí)代。 以藥物研發(fā)而言，現(xiàn)在每一種新藥都要投入巨額資金和較長(zhǎng)時(shí)間，但是，如果引入量子計(jì)算，則可以大大加快新藥研發(fā)過(guò)程。新藥研發(fā)的前期工程極為艱巨和繁雜，需要對(duì)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)和上億化學(xué)物質(zhì)和分子進(jìn)行篩選。過(guò)去，傳統(tǒng)的方法對(duì)大量的化學(xué)物質(zhì)和分子進(jìn)行人工計(jì)算，以及靠傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行篩選。
▲德勤公司（Deloitte）在發(fā)布的《2019全球生命科學(xué)展望》分析報(bào)告指出，推動(dòng)一款新藥上市的成本高達(dá)21.68億美元。以2018年FDA共批準(zhǔn)59款新藥計(jì)，它們的總成本足以向火星上發(fā)送51輛登陸探測(cè)車(chē)。 但是，如果量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入實(shí)用后，波士頓咨詢(xún)（BCG）援引部分制藥行業(yè)的高管預(yù)估，量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%-10%，并節(jié)省15%-20%的研發(fā)時(shí)間。 按照美國(guó)塔夫茨藥物研發(fā)中心的評(píng)估，現(xiàn)代平均一種新藥或疫苗從臨床前靶點(diǎn)篩選到最終上市，平均至少13.5年，而且還不算靶點(diǎn)確認(rèn)階段的時(shí)間，其中臨床前研發(fā)所需時(shí)間為5.5年，臨床平均研發(fā)時(shí)間為8年。僅以量子計(jì)算可以節(jié)省15%-20%的時(shí)間而言，就可能把現(xiàn)在的藥物和疫苗研發(fā)時(shí)間提前2-3年。 同樣是塔夫茨藥物研發(fā)中心的評(píng)估，一種新藥的研發(fā)成本為10億美元，但是如果將上市后的研發(fā)費(fèi)用計(jì)入，研發(fā)一個(gè)處方藥的費(fèi)用最高估計(jì)可達(dá)25.6億-28.7億美元。僅以10億美元的成本計(jì)算，如果能像節(jié)省時(shí)間那樣節(jié)省15%-20%，也至少能節(jié)省1.5億-2億美元。 更樂(lè)觀的估計(jì)是，量子計(jì)算可能成倍地節(jié)省藥物和新材料的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，因?yàn)樵谠铀缴希壳暗某銦o(wú)法處理大多數(shù)的模擬，量子計(jì)算則可以完成這樣的任務(wù)。如果能達(dá)到成倍節(jié)藥經(jīng)費(fèi)，研發(fā)一種新藥就至少可以節(jié)省5億美元，這也意味著至少有10%的公司愿意為量子計(jì)算承擔(dān)費(fèi)用，實(shí)際上，僅量子計(jì)算帶來(lái)的市場(chǎng)就有150-300億美元價(jià)值，而目前全球高性能計(jì)算（超算）的市場(chǎng)規(guī)模是100億美元。 不過(guò)，對(duì)于量子計(jì)算是實(shí)現(xiàn)了突破，也有一些專(zhuān)家表示懷疑。美國(guó)斯坦福大學(xué)著名量子物理學(xué)家、Q-FARM項(xiàng)目聯(lián)合召集人之一海登（Patrick Hayden）表示，量子霸權(quán)只是一個(gè)“模糊的里程碑”。這是在量子計(jì)算機(jī)研究論證過(guò)程中提出的一個(gè)目標(biāo)性概念，如果能證明量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)性能最好的超算，就算實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的霸權(quán)”。 但是，以目前的情況看，由于論文尚未通過(guò)評(píng)審，不能就此下結(jié)論量子霸權(quán)已經(jīng)到來(lái)，更不能說(shuō)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算對(duì)超算的終結(jié)或更新?lián)Q代。 而且，即便是專(zhuān)家評(píng)估證明谷歌的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)了突破，但是，離實(shí)用可能還有很大的距離，樂(lè)觀地估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)要投入實(shí)用并產(chǎn)生實(shí)際效應(yīng)，可能至少還需要10年甚至更多的時(shí)間。 不過(guò)，應(yīng)當(dāng)看到的是，量子計(jì)算代表了未來(lái)，也是對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的改朝換代，因此，全球都在對(duì)這一目標(biāo)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。從美國(guó)的谷歌到國(guó)際商業(yè)機(jī)器股份公司（IBM），再到中國(guó)的阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競(jìng)相建造出第一臺(tái)可實(shí)際應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)。而且，各個(gè)科技巨頭的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。 相對(duì)于谷歌所稱(chēng)的量子霸權(quán)，IBM提出了“量子優(yōu)勢(shì)”的概念。該公司認(rèn)為，量子優(yōu)勢(shì)更有實(shí)用價(jià)值，是在一個(gè)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，如金融服務(wù)、人工智能（AI）、化學(xué)領(lǐng)域中，量子計(jì)算機(jī)可以做出比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)要明顯優(yōu)秀的工作。 另一方面，無(wú)論是量子霸權(quán)還是量子優(yōu)勢(shì)，也都意味著，世界上第一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在向人們招手了，量子信息時(shí)代也真的是離人類(lèi)不遠(yuǎn)了。 |
