作者|中国软件网 赵满满
校对|中国软件网 王锦宝
全球哪些国家已经证明了“量子优越性”？
只有美国和中国。证明量子优越性，就是用极端复杂的问题来考验量子计算机。
近日中国科学技术大学宣布，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法“高斯玻色取样”只需200秒的时间，而解决同样一个问题，用目前世界上最快的超级计算机也要6亿年。这一成果使我国成为继美国之后全球第二个实现“量子优越性”的国家。
在专家眼里，虽然证明 “量子优越性”被认为是量子计算从理论到实践“一个里程碑式的转折点”，但是目前来看，量子计算机还处在原型机阶段，要落地走向应用，现在还是“万里征程仅迈出了一步”。
与此不同，包括亚马逊云服务、微软等云服务商推出了量子计算的云服务，探路量子计算的意味浓厚。毕竟，任何计算都是云计算的服务内容。
中国软件网认为，量子计算机和和量子计算云服务是量子计算发展的“两个支点”，一个是发展技术，一个是商业上促进应用，都会推动量子计算前进的步伐。
01
每一步突破都带给人类惊喜
作为世界科技前沿领域，研制量子计算机是世界各国角逐的焦点。
第一个焦点就是证明“量子优越性”，有些美国科学家和政客将其称为“量子霸权”、“量子优先 ”等。
证明“量子优越性”，就是实际展示用量子计算机比传统的超级计算机算更具有优越性。
谷歌Sycamore
2019年10月，谷歌宣布其名为Sycamore的芯片，通过执行传统计算机无法完成的任务首次实现了“量子霸权”。
根据谷歌介绍，Sycamore仅用53个量子位就在短短几分钟时间内完成了一项高难度计算任务，而目前最先进的超级计算机IBM Summit耗时1万年也不可能完成。
谷歌认为，这是一项重大的技术突破，甚至将其比作莱特兄弟实现首次飞行和苏联发射第一颗人造卫星，这项突破开启了计算机发展新纪元。
对此，IBM的研究人员立即对此提出质疑，认为在具有足够硬盘驱动器的传统计算机上，IBM Summit在2.5天之内就可以完成Google任务的模拟。
与谷歌采取的是超导量子比特不同，中国的“九章”采取的是光量子比特。相关专家表示，两者分别采用光学与超导作为构建量子计算机的物理体系，只是不同的技术路线，目前还无法评判孰优孰劣。
但无论技术路线有何不同，专家认为，中国制造出包含76个量子比特的量子计算机是一个重大的科学成就，这也说明中国在量子计算领域处于国际上的“第一梯队”。
IBM Q System One
2019 年1月，在2019年度国际消费电子展（CES）上，IBM展示了其最新的量子计算机IBM Q System One的模型。IBM Q System One是一台第四代20量子比特机器，依然是一个试验性的硬件系统。
02
量子计算机为啥如此彪悍？
过去50年，集成电路的小型化证实了英特尔联合创始人戈登摩尔的预测，即芯片上的晶体管数量每24个月将翻一番。
但是，近年来专家们担心，如果晶体管接近原子水平，我们是否达到发展的某些极限？为此，半导体公司使用各种技术让摩尔定律保持生命力，其中一个出路就是发展量子计算。
那么，量子计算到底是什么？很多人会回答，不确定什么是量子计算。别担心，您并不孤单，专家也没有给出完整而有权威的说法。
简单来说，量子计算机是超乎想象的快速计算机，能够解决看似无法解决的问题。比如，如果您认为现在的一台智能手机比1980年代的一间屋子那么大的计算机性能更强不足为怪，那么量子计算机将使我们当前的最先进技术的计算机看起来像石器时代。这就是量子计算所代表的飞跃。
根据相关资料显示，从本质上讲，传统计算机是最简单的电子计算器的非常快速的版本。它们一次只能处理一个“位”的信息，形式为二进制1或0。每个位都像一个开/关，0表示“关闭”，1表示“打开”。您在传统计算机上完成的每个任务，无论多么复杂，最终都将使用数百万个位，每个位代表0或1。
首先，量子计算机不依赖位，而是使用“量子位”。目前，量子计算机使用的是原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用不同的粒子。由于量子力学的奇迹，量子位不仅仅局限于开启或关闭，它们可以同时存在，也可以在两者之间存在。这是因为量子计算利用了在亚原子级发生的特殊现象，特别是量子粒子同时存在于多个状态的能力，也称为称为“叠加”。
这意味着，即使是当今最快的计算机，量子计算机也可以在更短的时间内处理更多的场景。
其次，目前现有的电子计算机处理数据的方式是串行运算，即存储器只能存一个数，操作一次变成另一个数，所以操作是一步一步的。
而量子计算机从原理上是并行处理，操作一次可以把2的N次方数据变成另外2的N次方数据，所以操作一次量子计算机，相当于操作电子计算机2的N次方串行的次数。
潘建伟院士在接受央视采访时表示，在量子计算领域第一个里程碑的目标就是展示量子计算机的优越性。希望能够通过15年到20年的努力研制出通用量子计算机，这样的话就能用它来解决很多非常广泛的问题了，如密码分析、气象预报、药物设计等。
03
量子计算的利好与风险
达到量子优越性地位显然是一个重要的里程碑，但是距离商用量子计算机投放市场，还有很长的路要走。目前量子计算工作仅限于实验室，以及像Google、IBM和Microsoft等主要技术公司。
大多数专家都会承认，人类尚未完全了解量子计算将如何改变我们的世界，我们只是知道它将改变世界。可以这么说，在过去的几年中，尽管量子计算已经成为一个热门话题，但现在没有理由相信量子计算机将很快在日常中使用。
假如量子计算机投入应用，在以下应用领域可以充分利用量子计算机，如：
加强网络安全。量子计算机可以通过创建几乎坚不可摧的加密来改变数据安全的格局。
加速人工智能。量子计算可以极大地促进人工智能的发展，因为这些超高速计算机将在识别数据模式方面更加有效。
对交通流进行建模以改善城市拥堵。对交通进行建模是一个非常复杂的过程，其中包含大量变量，但是大众汽车公司的研究人员一直在运行量子试点计划，对北京、巴塞罗那和里斯本市中心的交通流进行建模和优化。
让天气预报更加准确。几乎所有涉及复杂建模的事物都可以通过量子计算来提高效率。英国气象局（Met Office）表示，量子计算机提供了更高级的建模的潜力，这是构建下一代预测系统的探索途径之一。
开发新药。生物技术初创公司ProteinQure一直在探索量子计算在建模蛋白质（药物开发的关键途径）方面的潜力。量子计算可能会导致发现一些有效的新药物，这些新药物可用于解决人类面临的疑难杂症，包括癌症和心脏病等。
量子计算可能会在未来带来许多令人兴奋的机会。那么，我们做好准备了吗？
简单地说，量子计算机利用物质在亚原子水平上表现出的独特方式，以非凡的速度进行计算。从理论上讲，它们有一天可以在材料科学、人工智能、医学、金融、通信、物流等领域取得实质性的进步。
量子计算机还带来了一些值得关注的风险。一是全球量子计算的竞赛正在升温，带来了无法预料的后果。
更遥远的担忧是，先进的量子计算机有一天可能会威胁到保护整个数字世界中信息安全的公共密钥密码学。这些系统基于数学难题，量子计算机理论上可能能够轻松破解。安全研究人员非常清楚这个问题，并且正在努力创建“后量子”系统和标准。
04
量子计算云服务扑面而来
与量子计算机发展同时推进的是，量子计算云服务进展顺利。
亚马逊云服务AWS于 2019年宣布进入这一领域，并于2020年8月推出了首个量子计算服务Braket。著名理论物理学家Paul Dirac于1930年代后期创立Braket的标准量子符号，AWS用它命名了这项服务。
自2019年下半年以来，Amazon Braket一直处于私人预览状态。但是，Amazon AWS最近宣布了其一般可用性。客户可以直接从Amazon Braket平台购买量子计算服务。
Braket是一项完全托管的AWS服务，可提供与技术无关的环境。它为客户提供了设计、开发、测试和运行其量子算法的能力。Braket还提供了使用Amazon EC2计算资源的模拟量子计算机，并且可以模拟多达34个量子位用于测试和故障排除算法。
该服务可帮助云客户尝试在AWS上运行量子算法。设计算法后，客户可以选择在其他公司（包括D-Wave Systems Inc.，IonQ Inc.和Rigetti Computing）构建的量子处理系统上运行。当时，亚马逊还没有宣布建造自己的计算机计划。
Amazon Braket量子硬件提供商中，D-Wave运行具有2048量子位的量子退火处理器，IonQ提供了具有11个量子位的基于门的离子阱量子计算机，Rigetti Computing提供了一个基于门的超导量子处理器。
Amazon Braket并不是唯一的量子云服务。
IBM拥有庞大的22台超导量子计算机。2016年，IBM是第一家将量子计算机投入在线的公司。除了提供优质服务外，大多数IBM的量子系统以及完整的教程和大量有用的算法库都是公开可用的。据IBM称，其网络上每月运行着数十亿条量子电路。
Microsoft Azure Quantum提供与Braket类似的云服务。但是，它的平台仍在某些客户的预览中。Azure平台提供了Honeywell Quantum Solutions和IonQ的多种捕获离子技术，以及Quantum Circuits，Inc.（QCI）的超导硬件，其中Honeywell Quantum Solutions最近宣布拥有世界上功能最强大的量子计算机，量子体积为64。
自2020年3月起，尽管Google云端平台提供TensorFlow Quantum（一个用于建立量子机器学习模型的库），但Google Cloud尚未包括通用量子计算服务。
那什么时候中国的云服务商会推出如此服务呢？
毫无疑问，迈入量子计算时代将面临许许多多难以克服的难题。不过，正如众多公司所展示的那样，技术就是这样一点一点地发展，并带领我们进入一个神秘的世界。
