本文来自腾讯科技，作者：硅谷封面，题图来自：影戏《蚁人》

自美国加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）于2012年提出了“量子霸权”的看法以来，谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊以及诸多初创公司就最先加大对量子盘算的投资和研发，该领域的竞争也变得日益猛烈。现在，谷歌和IBM毫无疑问处于领先地位。IBM是大型机和超级盘算机领域无可争议的霸主，而谷歌在去年10月份宣称实现了“量子霸权”。

现在，两家公司正睁开针锋相对的较量，看谁能首先造出天下上最好、具有适用意义的量子盘算机。双方接纳了差别的解决方案，同时也面临着许多配合和各自需要战胜的挑战，那么它们最终谁能在这场竞争中胜出？

谷歌最先进的电脑不在该公司位于美国加州山景城的总部内，也不在狂热伸张的硅谷的任何地方。从圣芭芭拉往南驱车几个小时，你就会来到一个表面上显得平白无奇的办公园区，这里入驻的大多也是你从未听说过的科技公司。

在这个园区的一间开放式办公室里，有几十张办公桌，另有室内自行车架和指定的“冲浪板停车场”，冲浪板放在从墙上伸出的支架上。宽大的双扇门通向一个宽敞课堂巨细的实验室，在那里的盘算机机架和杂乱的仪器中，有些圆柱形、比油桶稍大的容器悬挂在减震装置上，就像伟大的钢蛹。

其中的一个圆柱形容器外壳已经被移除，露出了内里由钢和黄铜组成的多条理、错综庞大的内部结构，它被称为“枝形吊灯”。这基本上就是台超级冰箱，越往下层温度越低。在底部，保持在绝对零度以上、约莫只有头发宽度巨细的真空中，可以用肉眼看到类似通俗硅片的器械。但它上面没有蚀刻晶体管，而是由细小的超导电路组成。在这种低温下，这些电路的显示就好像它们是遵守量子物理定律的单个原子。它们就是所谓的量子比特，即量子盘算机的基本存储单元。

2019年10月尾，谷歌宣布，该公司行使名为Sycamore的芯片，通过执行在传统盘算机上险些不可能完成的义务，首次实现了“量子霸权”（quantum supremacy）。凭据谷歌的说法，用53个量子比特，Sycamore在几分钟内完成了一项盘算，而这项义务需要天下上现存最壮大的超级盘算机Summit盘算1万年时间。

谷歌宣称这是个重大突破，甚至将它与苏联发射首颗人造卫星或莱特兄弟举行首次航行相提并论，并称掀开了新机械时代的序幕，它将使当今最壮大的盘算机看起来像过时的算盘。

在圣巴巴拉实验室举行的新闻公布会上，谷歌团队愉快地回覆了记者的提问，问答环节连续了近三个小时。但他们的诙谐掩饰不了心里的主要。由于就在两天前，谷歌在量子盘算领域的主要竞争对手IBM的研究人员损坏了它的重大发现。他们揭晓了一篇论文，指责谷歌给出了错误盘算。IBM以为，Summit只需要几天时间就可以复制Sycamore的成就，而不需要上万年。当被问及对IBM的质疑有何看法时，谷歌团队卖力人哈特穆特·尼文（Hartmut Neven）刻意回避了直接回覆。

你可以以为这只是一场学术争论，从某种意义上说也确实云云。纵然IBM的嫌疑是对的，Sycamore的盘算速率仍然比Summit快1000倍。也许仅仅几个月后，谷歌就会造出体型稍大的量子盘算机，向嫌疑者证实自己。然而，IBM更深层的否决意见并不是谷歌的实验没有宣称的那么乐成，而是它首先就是个毫无意义的测试。

与大多数目子盘算领域差别，IBM并不以为“量子霸权”是该手艺领域的莱特兄弟时刻。事实上，IBM甚至不相信会有这样的时刻。相反，IBM追求的是一种完全差别的乐成权衡尺度，即所谓的“量子优势”（quantum advantage）。

这不仅仅是语言上的差别，甚至也不是科学上的分歧，而是在哲学态度上的对立，它植根于IBM的历史、文化和雄心壮志中。也许另有这样一个事实，即八年来，IBM的收入和利润始终在下降，而谷歌及其母公司Alphabet的营收数字却在增进。在这样的靠山下，以及各自设定的差别目的，可能会影响双方在量子盘算竞赛中事实哪一方会胜出。

规模宏大的实验

量子盘算机的基本构件就是量子比特。在传统盘算机中，一个通俗比特只能存储0或1，而量子比特不仅可以存储0或1，还可以存储介于两者之间、被称为“叠加”的状态，这可以假设许多差别的值。这里我们可以类比下，若是信息是彩色的，那么通俗比特可以是玄色的，也可以是白色的。而当量子比特处于叠加状态时，它可以是光谱上的任何颜色，也可以是亮度差别的颜色。

效果是，与通俗比特相比，一个量子比特可以存储和处置大量的信息，而且当你把量子比特毗邻在一起时，容量会成倍增进。在谷歌Sycamore芯片上以53个量子比特来存储所有的信息，将需要约莫72PB（720亿GB）的传统盘算机内存。不需要太多的量子比特，其盘算和存储能力就可以与星球巨细的传统盘算机相媲美。

固然，量子比特并非没有瑕玷。由于量子比特懦弱且易受滋扰，因此必须与热量、振动和杂散的原子完全隔离，因此才有了谷歌量子实验室里的“枝形吊灯”冰箱。即便云云，它们最多也只能事情几百微秒，然后就会“退化”（decohere），失去叠加状态。

量子盘算机并不总是比传统盘算机快。它们只是有所差别的机械，有的更快，有的更慢，而且需要差别种类的软件。为了对照它们的性能，你必须编写一个近似模拟量子盘算机的经典程序。

在实验中，谷歌选择了一个叫做“随机量子电路采样”的基准测试。它发生了数百万个随机数字，但带有稍微的统计误差，而这正是量子算法的特点。若是Sycamore是个袖珍盘算器，它就相当于随机按下按钮，然后检查显示器是否显示了预期的效果。

谷歌在它自己的大型服务器场和天下上最大的超级盘算机Summit（位于橡树岭国家实验室）上模拟了部门历程。研究人员估量，完成整项耗时200秒的盘算事情，将破费Summit约莫1万年的时间。瞧，这就是“量子霸权”。

那么IBM否决的是什么呢基本上，让传统盘算机模拟量子盘算机有差别的方式，你编写的软件，你支解和存储数据的方式，以及你使用的硬件都市对模拟运行的速率发生很大影响。IBM示意，谷歌假定模拟需要被支解成许多块，但拥有280PB存储空间的Summit足以同时保留完整的Sycamore状态。IBM制作了Summit，以是它对此异常领会。

在最基本的层面上，传统盘算机中的软件是一系列逻辑门，如NOT、OR和NAND，它们改变比特的内容（0或1）。同样，量子软件由作用于量子比特的一系列逻辑门组成，但它有一组更大、更奇异的门，它们的名字分别是SWAP（交流周围两个量子比特的值）、Pauli-X（翻转量子比特的值的NOT门量子版本）和Hadamard（将量子比特从0或1转换为0和1的叠加状态）。到现在为止，还没有像C 或Java这样的高级语言的量子编程语言，但谷歌和IBM都建立了图形界面，这让使用GATES举行编程变得容易。

量子比特存储信息的方式就像筛子存储水一样，纵然是最稳固的量子态也会在几百微秒内“退化”，或者从懦弱的量子态跌落。甚至在那之前，错误就最先聚积。这意味着一台量子盘算机只能做牢固量的盘算，然后就会逐步停下来。谷歌的更大芯片在30到40微秒后“退化”，足够它们运行40个量子逻辑门序列。IBM的芯片可达500微秒，但它们处置逻辑门的速率也更慢。

截然差别的理念

IBM位于纽约市北部郊区的托马斯-沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center）曲线优美，轮廓明白，它是芬兰修建师埃罗·沙里宁（Eero Saarinen）的新未来主义杰作，但它与谷歌团队绝不起眼的挖掘事情相去甚远，两者甚至有着天壤之别。这栋修建于1961年完工，那时大型机为IBM带来大量财富，使它具有博物馆般的品质，提醒每个在内里事情的人，公司在从分形几何到超导体再到AI和量子盘算的各个领域都取得了突破。

这个拥有4000人的研究部门的卖力人是西班牙人达里奥·吉尔（Dario Gil），他讲话的语速很快，总是能让人感受到其汹涌的激情。每次与他攀谈时，他都市滔滔不绝地讲述许多历史里程碑，意在强调IBM介入量子盘算相关研究的时间已经足够漫长。

但在已往的几十年里，IBM在起劲将其研究项目转化为商业乐成方面却不尽如人意。以最近的超级盘算机Watson为例，IBM试图将其转变为机械人医学大师。它的目的是提供诊断和识别海量医疗数据的趋势，但只管与医疗服务提供商确立了数十个互助伙伴关系，却很少有商业应用。纵然泛起了一些商业应用，也发生了利害参半的效果。

根据吉尔的说法，量子盘算团队正试图通过同时举行研究和营业开发来打破这种循环。险些在量子盘算机投入使用后，该公司就最先把它们放到云上，让外界可以接见它们。在云端，它们可以通过一个简朴的、在web浏览器上运行的拖放界面举行编程。

2016年推出的“IBM Q体验”（IBM Q Experience）现在包罗15台公然可用的量子盘算机，巨细从5个量子比特到53个量子比特不等。每月约有12000人使用它们，包罗学术研究人员、学生等差别人群。在小型机械上的时间是免费的，但IBM示意，已经有100多家客户为使用更大的量子盘算机付费。

除了谷歌的Sycamore之外，这些装备或者天下上任何其他的量子盘算机都还没有显示出它们可以在任何方面打败传统盘算机的能力。对IBM来说，这不是现在的重点。让这些机械在网上可用，可以让该公司领会未来的客户可能需要什么，并允许外部软件开发人员学习如作甚他们编写代码。这反过来又促进了它们的生长，使厥后的量子盘算机变得更好。

该公司以为，这个周期是通向所谓“量子优势”的最快路径。未来，量子盘算机不一定会把传统盘算机远远甩在后面，但会以更快或更高效的方式做些有用的事情，这足以让它们在经济上发生足够高的价值。只管“量子霸权”是单一的里程碑，但IBM以为，“量子优势”是“连续性的里程碑”，是个逐渐扩大的可能性天下。

这就是吉尔关于IBM的大统一理论：通过连系它的传统、手艺专长、其他人的智力以及其对商业客户的奉献，该公司可以比任何人更快、更好地构建有用的量子盘算机。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）说，从这种看法来看，IBM以为谷歌的“量子霸权”演示只是“室内魔术”。在最好的情形下，这只是一种从真正需要举行的事情中转移注意力的浮华征象。在最坏的情形下，这甚至是一种误导，由于它可能会让人们以为量子盘算机可以在任何事情上击败传统盘算机，而不是局限于异常狭隘的义务上。吉尔说，对于“霸权”这个词儿，民众很可能发生误解。固然，谷歌对此的看法截然差别。

谷歌的量子研究历程

谷歌在2006年第一次最先研究量子问题时，照样刚刚确立8年的初创公司，它直到2012年才确立了专门的量子实验室。同年，美国加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）缔造了“量子霸权”这个术语。

谷歌用于实现“量子霸权”的装备

谷歌量子实验室的卖力人是哈特穆特·尼文（Hartmut Neven），他是一名德国盘算机科学家，以严肃著称，喜欢“火人节”式的时装，有时候他会穿着毛茸茸的蓝色外衣，甚至穿着全银色的服装，让他看起来像个邋遢的宇航员。

早先，尼文购买了外部公司D-Wave制造的机械，并花了一段时间试图在其上实现“量子霸权”，但没有乐成。他说，2014年，他说服时任谷歌首席执行官的拉里·佩奇（Larry Page）投资制作量子盘算机，并答应谷歌将接受普雷斯基尔的挑战。奈文回忆称：“我们告诉佩奇，三年后我们会回来，在你的桌子上放上原型芯片，至少可以盘算传统盘算机无法处置的问题。”

由于缺乏IBM的量子专业知识，谷歌从外部聘请了一个团队，由加州大学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马提尼斯（John Martinis）向导。马提尼斯和他的团队已经是天下上最好的量子盘算机制造团队之一，他们乐成地将9个量子比特串在一起，而尼文对佩奇的答应似乎是他们值得追求的目的。

三年的最后限期延迟了数次，马提尼斯的团队起劲研发一个足够大、足够稳固的芯片来迎接挑战。2018年谷歌公布了迄今为止最大的处置器Bristlecone。它拥有72个量子比特，远远领先于竞争对手的任何产物。马提尼斯展望，它将在统一年实现“量子霸权”。但团队中有几小我私家一直在并行地研究另一种名为Sycamore的芯片架构，这种架构最终证实可以用更少的量子比特做更多的事情。因此，这种有53个量子比特的芯片最终在去年秋天证实了它的优越性。

现实上，在谁人演示中使用的程序基本没有任何用途。它天生随机数字，这不需要量子盘算机也能做到。然则，它以一种传统盘算机很难复制的特殊方式天生它们，从而确立了看法证实。

询问IBM员工他们对这一成就有何看法，你会露出痛苦的脸色。IBM量子团队卖力人、语言郑重的澳大利亚人杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）说：“我不喜欢‘量子霸权’这个词，也不喜欢它的寄义。”他说，问题在于，险些不可能展望任何给定的量子盘算对传统机械来说是否难题，以是在一种情形下展示它并不能辅助你证实其在其他情形下是否适用。

许多IBM以外的人以为，该公司这种拒绝将“量子霸权”视为重大成就的做法近乎顽强。尼文说：“任何想要获得商业利益的人，都必须首先展示自己的优势。我以为这只是基本的逻辑。”纵然是这场争论最公正的观察者、麻省理工学院物理学家威尔·奥利弗（Will Oliver）也说“在某些义务上，无论什么义务，量子盘算机的显示都优于传统盘算机，这是一个异常主要的里程碑。”

量子飞跃

奥利弗说，不管你是赞成谷歌的态度照样IBM的态度，下一个目的都是明确的，也就是确立可以做些有用事情的量子盘算机。人们希望，这些机械有一天能够解决更多问题，这些问题现在需要更壮大的盘算能力，好比模拟庞大分子以辅助发现新药和新材料，或者实时优化城市交通流量以削减拥堵，或者举行历久的天气预报。

IBM的电路组合器

问题是，我们险些不可能展望量子盘算机第一个有用的义务是什么，或者需要多大的盘算机来执行它。这种不确定性与硬件和软件有关。在硬件方面，谷歌以为它现在的芯片设计可以容纳100到1000个量子比特。然而，就像汽车的性能不仅仅取决于引擎的巨细一样，量子盘算机的性能也不仅仅取决于量子比特的数目。另有许多其他的因素需要思量，包罗“退化”需要多长时间，失足的可能性有多大，运行的速率有多快，以及它们之间是若何相互联系的。这意味着今天运行的任何量子盘算机都只能施展其所有潜力的一小部门。

与此同时，用于量子盘算机的软件就像机械自己一样，还处于起步阶段。在传统盘算中，编程语言现在已经从早期软件开发人员必须使用的原始“机械代码”相差了几个条理，由于数据若何存储、处置和转移的细节已经尺度化了。谷歌团队的软件卖力人戴夫·培根（Dave Bacon）说：“在传统盘算机上，当你给它编程时，你不必知道晶体管是若何事情的。”

而在另一方面，量子代码必须高度定制，以顺应它所运行的量子比特，以便最大限度地施展它们无法展望的性能。这意味着IBM芯片的代码不能在其他公司的芯片上运行，纵然是优化谷歌53量子位Sycamore的手艺，也不一定会在未来的100量子比特机械上运行得很好。更主要的是，这意味着没有人能够展望这100个量子比特能够解决的问题有多难题。

人们最勇敢的希望是，在未来几年内，拥有几百个量子比特的盘算机将被用来模拟一些中等庞大的化学历程，这甚至可能足以推动对新药或更高效电池的研究。然而，“退化”和错误累计将使所有这些机械在它们能够做任何真正难题的事情（如损坏密码学）之前停止事情。

这将需要一台“容错”量子盘算机，它可以纠正错误，并像传统盘算机一样无限期地运行。预期的解决方案将是建立冗余，纵然数百个量子比特在共享量子态中作为一个量子比特运行。总的来说，它们可以纠正单个量子比特的错误。当每个量子比特“退化”时，它的邻居们就会把它带回来，继续介入到永不竣事的相互苏醒的循环中。

大多数人展望，需要多达1000个相连的量子比特才气到达这种稳固性，也就是说，要制造出一台拥有1000个量子比特能力的电脑，你现实上需要容纳100万个量子比特。尼文说，谷歌“守旧地”估量，它可以在10年内构建拥有100万个量子比特的处置器，只管有些重大的手艺障碍需要战胜，其中包罗IBM可能仍有逾越谷歌的优势。

到那时，许多事情可能已经改变了。现在谷歌和IBM使用的超导量子比特可能被证实是他们谁人时代的真空管，被更稳固可靠的器械所取代。天下各地的研究人员都在试验种种制造量子比特的方式，虽然很少有先进到足以制造出可以事情的电脑的水平。Rigetti、IonQ或Quantum Circuit等竞争对手可能会在某项特定手艺上施展优势，逾越更大的公司。

接纳差别解决方案

谷歌和IBM使用的超导量子比特险些是相同的，只有一个细微但可能至关主要的区别。在谷歌和IBM的量子盘算机中，量子比特自己都是由微波脉冲控制的。细小的制造缺陷意味着，没有两个量子比特会对频率完全相同的脉冲做出响应。对此有两种解决方案：1）改变脉冲的频率，找到每个量子比特的最佳位置，就像起劲发抖严重损毁的钥匙直到它打开锁。2）行使磁场将每个量子比特“调”到准确的频率。

IBM使用了第一种方式，谷歌则接纳第二方案。每种方式都有优瑕玷：谷歌的可调量子比特事情得更快、更正确，但它们不太稳固，需要更多的电路。IBM的牢固频率量子比特更稳固、更简朴，但运行速率更慢。从手艺角度来看，至少在现在这个阶段，这险些是一场输赢难分的竞赛。然而，就企业理念而言，这是谷歌和IBM之间的差别之处。或者更确切地说，这就是量子比特的特征。

谷歌选择了变得更天真。尼文说：“总的来说，我们的理念更倾向于提高可控性，而不是牺牲人们通常寻找的数字。”另一方面，IBM选择了可靠性。吉尔说：“做一个局限于实验室的实验和揭晓一篇论文，与确立一个可靠性高达98%的系统，而且可以一直运行，这两者之间有着伟大的区别。”

现在，谷歌占有了优势。不外，随着机械变得更大，优势可能会转向IBM。每个量子比特由它自己单独的导线控制，可调量子比特需要一根分外的导线。弄清楚数千或数百万量子比特的线路将是两家公司面临的最艰难手艺挑战之一。IBM示意，这是他们接纳牢固频率量子比特的缘故原由之一。谷歌团队的卖力人马提尼斯说，已往三年里，他小我私家一直在起劲寻找布线解决方案。他开顽笑说“这是一个云云主要的问题，我为此支出了起劲。”

新的摩尔定律

IBM没有盘算量子比特数目，而是追踪它所称的“量子体积”（quantum volume），这是一种丈量盘算机现实能处置的庞大水平的方式。它的目的是使这项权衡尺度每年翻一番，这是著名“摩尔定律”的量子版本，IBM将其命名为甘贝塔定律”（Gambetta's Law），以其首席量子理论家杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）的名字命名。到现在为止，这个定律已经保持住了三年。这和戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年提出摩尔定律时的情形差不多。

IBM接纳所谓的“量子体积”作为权衡盘算机处置能力的尺度

但思量到它们的规模和巨额财富，谷歌和IBM都有机遇成为量子盘算营业的主要介入者。企业将租用它们的机械来解决问题，就像它们现在从亚马逊、谷歌、IBM或微软租用基于云盘算手艺的数据存储和处置能力一样。物理学家和盘算机科学家之间的战争将演变成商业服务部门和营销部门之间的竞争。

那么，哪家公司最有可能赢得这场竞赛随着收入的下降，IBM可能比谷歌更有紧迫感。该公司从痛苦的履历中知道了缓慢进入市场需要支出的价值：去年炎天，IBM斥资340亿美元收购了开源云服务提供商红帽（Red Hat），这是它有史以来最昂贵的一笔收购，目的是在该领域遇上亚马逊和微软，扭转其财政运气。IBM将量子机械放到云端并从一最先就确立付费营业的战略，似乎是为了让它有个优越的劈头。

谷歌最近最先效仿IBM的战略，其商业客户现在包罗美国能源部、民众和戴姆勒。马提尼斯说，谷歌没有更早这么做的缘故原由很简朴“我们没有把它放到云端的资源。但这可能另有另一种说法，即它不必优先思量营业生长。

这一决议是否会给IBM带来优势还很难说，但更主要的可能是这两家公司在未来几年将若何运用其他优势来解决当前挑战。吉尔示意，IBM将受益于其在从材料科学、芯片制造到服务大企业客户等各个领域的“全套”专业知识。另一方面，谷歌拥有硅谷式的创新文化和大量快速扩张营业的实践。

至于“量子霸权”自己，它将是一个主要的历史时刻，但这并不意味着它将是个决议性的时刻。究竟，每小我私家都知道莱特兄弟的第一次航行，但谁能记得他们厥后做了什么？

本文来自腾讯科技，作者：硅谷封面