【本刊讯】《纽约时报》网站10月21日刊登丹尼斯·奥弗比发自纽约州约克镇高地的一篇报道文章，题为《量子计算来了, 通过量子信息的基本单位量子位获得比特——通过超导量子比特（“transmons”）和纠缠，科学家们努力将亚原子的怪异运用到人类的尺度上》，全文如下：

9月下旬，一个来自可能的未来的突发事件在科技界传开。谷歌计算机科学家的一篇论文在美国宇航局网站上发表，声称一种名为量子计算机的创新机器已经证明了“量子霸权”。

论文说，该设备在三分钟内完成了一项高度技术性和专业性的计算，而一台普通电脑要花上1万年才能完成。如果这一成就是真的，那么它可能预示着一场革命，涉及我们如何思考、计算、保护我们的数据以及探究大自然最微妙的方方面面。

约翰·普雷斯基尔是加州理工学院物理学家，杜撰了“量子霸权”一词。他说，谷歌公司的这项研究成果可能是“实验物理学领域中的一项真正给人留下深刻印象的成就”。

但后来，这篇论文消失了，让科技发烧友们喘不过气来。

当时，谷歌公司拒绝置评，但许多专家怀疑，即将发布一份官方声明，包括各种宣传和适当的同行审查。

因此，量子计算，现代科学中最活跃、最神秘的概念之一，正在努力成熟起来。

一个世纪以前，科学家们发现，在最细密的尺度上，大自然的运作遵循着令我们可怜的猿类大脑感到困惑的原理。那里是随机性和不确定性的天下，原因不能保证与结果相联系，一个电子或其他亚原子实体可以无处不在，或者完全消失，而到有人对其加以测量时，则成为一个波或一个粒子。

从晶体管、激光到我们口袋里的小玩意，大多数现代技术都是基于这种量子奇谈。

最近，技术爱好者、政治家和记者们一直在大声地表示担忧，中国在努力驾驭这种量子古怪之处，将其应用于工业和国家实力方面，从而在间谍和计算能力方面取得了领先地位。去年，国会通过了《国家量子倡议法案》，特朗普总统签署了该法案。该法案计划投入12亿美元，以促进量子技术，尤其是量子计算机的研究。

通过利用量子古怪的特性，这些计算机可以同时进行大量的计算，足以破解目前无法破解的密码，解决迄今为止无法解决的数学难题。谷歌、IBM和微软等公司正在设计和构建初级版本，甚至将它们放到网上，在那里几乎任何人都可以学习如何将量子领域付诸实践。

普通计算机存储数据和执行计算是以一系列1或0位的形式。相比之下，量子计算机使用量子位，量子位可以同时是1和0，至少在被测量之前是这样，在被测量时，量子位的状态被定义。

八位组成一个字节;一部普通智能手机的运行活动内存大约需要2g，也就是80亿位的两倍。这是大量的信息，但与仅有几十个量子位的信息容量相比就相形见绌了。

因为每个量子位同时代表两种状态，所以每增加一个量子位，状态的总数就会增加一倍。一个量子位是两个可能的数，两个是四个可能的数，三个是八个，依此类推。它开始时很慢，但很快就变得很大。

IBM位于纽约州约克镇高地的研究实验室负责人达里奥·吉尔在最近的一次采访中说：“想象一下，你有100个完美的量子位，你就需要投入地球上的每一个原子来存储比特，以描述这台量子计算机的这一状态。等到你有了280个完美量子位时，你就需要宇宙中的每个原子来存储所有的0和1了。”

这是工程师的一场美梦和噩梦。最近的一个雨天，吉尔博士带我们参观了IBM公司的量子操作系统。旅程从一台真正的量子计算机开始，它的内部结构暴露在外，陈列在托马斯·J·沃森研究中心的大厅里。它看起来有点像一棵倒置的小圣诞树:3英尺高，1英尺宽，一系列金色的平台一个接一个地挂着，上面装饰着芯片、电线、神秘的胶囊和闪闪发光的、卷曲的银管。

每次量子计算都以一串1和0开始和结束——经典的比特——在这个集合的顶部。然后这些比特被转换成微波脉冲，通过电线和管道向下传送到一系列50个小型超导装置中，这些装置被称为“超导量子比特”，也就是悬在底部的量子位。

微波脉冲将量子位转换成1到0之间的不确定状态。随后的微波脉冲操纵它们，将它们相互加减，或者将它们一对对地置于一种被称为纠缠的可怕状态中，在这种状态中，一个量子位的变化会影响对另一个量子位的测量。

吉尔博士说，最后，量子位相互干扰，就像海洋上的波浪一样，产生一串由1和0组成的输出，这就是答案。

所有这一切都发生在几分之一秒内，只要你能在此期间阻止大自然窥视量子位和把事情搞砸。此外，在实践中，必须保护量子位，使之免于被嘈杂的非量子世界所干扰，所以这个过程在一个稀释冰箱(一个大热水瓶)中进行，冰箱底部的芯片温度保持在比绝对零度稍高一点的温度，比外太空还要冷。

在一条长长的弯曲走廊的另一端，坐落在自己的房间里的，就是真正有用的东西。它被称为IBM Q “一号系统”，被包裹在一个9英尺宽的黑色玻璃立方体中，只能通过半英寸厚的、700磅重的门进入，这样可以更好地在低温下密封，隔绝噪音和干扰。Q代表量子。这款电脑由一家建筑公司设计，设计得和未来一样现代、令人生畏、不透明，它是用户可能永远也见不到的最漂亮的电脑。

尽管“一号系统”是2019年1月上线，但一套名为“IBM Q 体验”的入门级电脑却在过去三年里一直可以在线，可供使用;任何人都可以在上面登录，编写和运行程序。吉尔博士说，到目前为止，已经有13万人使用过它，进行了1700万次实验，发表了大约200篇论文。还有更多的量子设备，在其他的门后面，由科学家操作，他们试图学习如何说大自然的奇异亚原子语言。吉尔博士说：“我相信，在这座大楼里工作的量子计算机比世界上其他地方的总和还要多。”

也许是量子霸权

数学家们仍在争论，当这种量子能量最终成熟时，它也许能完成什么。普通的计算机可以很好地解决“简单”的问题——这些问题可以在合理的时间内得到解答，比如遨游土星环或预测飓风的路径。

然后是“棘手的”问题，这些问题的解决方案很难找到，但一旦确定，就很容易验证。其中一个是大数因式分解。许多现代加密方案，比如广泛使用的RSA加密算法，都依赖于无法在合理的时间内分解这些数字。

1994年，彼得·肖尔(Peter Shor)——先后在贝尔实验室和麻省理工学院工作——设计了一种算法，量子计算机(当时还只是一种假想的设备)可以利用该算法分解大的数字，从而破解目前普遍使用的大多数网络安全代码。

2012年，加州理工学院物理学家普莱斯基尔博士(Dr. Preskill)发明了“量子至上”(quantum supremacy)一词，用来描述量子计算机远远超过传统计算机的潜能。

这就是谷歌团队一直试图用量子计算机Sycamore做的事情。他们正在攻关的计算是高度专业化和技术性的，主要是为了表明量子霸权是可能的。

成功将是人类知识进步的一个转折点，是迈向截然不同的未来的一小步，就像莱特兄弟的第一次飞行一样。但这只是漫漫长路上的一步。

IBM公司负责Q战略和生态系统的副总裁鲍勃·苏特(Bob Sutor)说：“我们需要非常谨慎地设定预期。这种东西很容易被夸大。”IBM正在与谷歌竞争，实现一种不同的量子霸权。

事实上，周一，由数据科学家埃德温·佩德诺(Edwin Pednault)领导的来自IBM的四名科学家，对谷歌声称的在一台普通电脑上计算需要1万年时间计算的说法提出了质疑，他们演示了量子未来是多么的模糊，其所有权的争夺是多么的激烈。在物理学网站arXiv上发表的一篇论文和IBM研究网站上的一篇博客文章中，他们估计这项任务可以在短短两天半内完成。

他们在博文中写道:“因为约翰·普雷斯基尔2012年提出的‘量子霸权’一词的原意是描述量子计算机可以做、而传统计算机做不到的事情，所以这个临界点还没有达到。”

他们接着邀请有抱负的、想做量子计算的年轻科学家登录IBM的一台计算机:“今天就在一台真正的量子计算机上运行你的第一个程序吧。”

谷歌没有回复记者的置评请求。

在谈话中，吉尔博士坚持认为，“量子霸权”这个术语具有误导性，而且言过其实:“事实是，计算的未来将是传统计算机的位元、人工智能系统和量子计算三者的混合体。”

他和他的同事们希望，我们根本不要以量子位来判断量子计算机。他们更喜欢一个新的度量，即“量子体积”，因为这考虑到量子位的数量和错误修正的数量两方面。

IBM说，量子计算机的数量每年都在翻倍，但没人能说这种翻倍要走多远，事情才会变得有趣。

量子霸权的最终目标将是利用量子位来破解加密密码。但这需要一段时间。谷歌公司的Sycamore计算机拥有全部53个量子位元，IBM公司在纽约波基普西的量子计算中心安装的新计算机也是如此。“一号系统”——IBM公司体现明天的黑色立方体——只有20个量子位。

相比之下，可能需要数百个或更多的量子位来存储当前密码中使用的巨大数字中的一个。每一个量子位都需要数百个其它量子位的保护，以防止外部噪声和干扰带来的误差。

总而言之，使用肖尔博士的算法可能需要数百万个量子位来破解一个密码;因此需要耐心。普莱斯基尔博士说，同时，“和它们一起嬉戏，了解它们能做什么，会很有趣。”