· 2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的芯片已經成功實現“量子霸權”。
· IBM認為，“量子霸權”只是單一的里程碑，而“量子優勢”則是“連續性的里程碑”。
· 谷歌和IBM不僅要努力增加提高量子計算機性能的量子比特數量，還要利用各自的優勢克服各種挑戰。
2月28日消息，據外媒報道，谷歌最先進的電腦設備并未被安放在該公司位于美國加州山景城的總部，也不在硅谷狂熱蔓延的任何地方，而是在距離圣巴巴拉縣以南幾個小時車程的所在，那里有個平坦、毫不起眼的辦公園區，里面入駐的大多是我們從未聽說過的科技公司。
在那里，一間開放式辦公室容納了幾十張桌子，還有個室內自行車架和指定的“沖浪板停車位”，沖浪板放在從墻上伸出的支架上。寬闊的雙門通向教室大小的實驗室，在那里擺放的電腦架和雜亂無章的儀器中，幾個圓柱形容器（略大于油桶）懸掛在減振鉆機上，就像巨大的鋼蛹一樣。
其中一個圓柱形容器的外殼已經被移除，暴露出由鋼和黃銅組成的多層次、錯綜復雜的內部結構，它被稱為“枝形吊燈”。它基本上就是臺增壓冰箱，每往下一層都會變得更冷。在容器底部，保持在絕對零度以上、一根頭發寬度的真空中，可以用肉眼看到類似普通硅片的東西。但它上面沒有刻蝕晶體管，而是蝕刻了微小的超導電路，在這種低溫下，它們的行為就像是遵守量子物理定律的單個原子一樣。這就是量子比特，也就是量子計算機的基本存儲單元。
2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的芯片已經成功實現“量子霸權”，即通過在傳統電腦上幾乎不可能執行的任務來展示量子計算機的優勢。盡管這個芯片上只有53個量子比特，但它在幾分鐘內就完成了一項計算，根據谷歌的說法，這項任務需要世界上現存最強大的超級計算機Summit計算10000年。谷歌宣稱這是一項重大突破，甚至將其比作蘇聯發射Sputnik或賴特兄弟實現首次飛行，這是一個新時代機器的門檻，將使今天最強大的計算機看起來就像算盤那樣落后。
在圣巴巴拉實驗室舉行的新聞發布會上，谷歌團隊興高采烈地回答了記者近三個小時的提問，但他們的幽默感并不能完全掩蓋潛在的緊張情緒。此前兩天，谷歌在量子計算領域的主要競爭對手IBM的研究人員，用“魚雷”破壞了谷歌的好心情。他們發表了論文，指責谷歌員工計算錯誤。IBM估計，Summit只需要幾天而不是上萬年，就可以復制Sycamore所做的事情。當被問及對IBM的估計有何看法時，谷歌團隊負責人哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)刻意避免直接回答。
你可以對此不屑一顧，認為這只是一場學術爭執。從某種意義上說，它確實是這樣。即使IBM是對的，Sycamore的計算速度仍然比Summit快1000倍。谷歌可能只需要幾個月的時間就會制造出體積更大的量子機器，并向懷疑者證明。然而，IBM更深層次的反對并不是說谷歌的實驗沒有聲稱的那么成功，而是一開始它就是毫無意義的測試。與大多數量子計算界不同的是，IBM并不認為“量子霸權”是這項技術的“賴特兄弟時刻”，事實上，它甚至不相信會有這樣的時刻。
相反，IBM正在追逐一種截然不同的成功衡量標準，它稱之為“量子優勢”。這不僅僅是措辭上的不同，甚至是科學上的不同，而是哲學立場上的分歧，植根于IBM的歷史、文化和雄心壯志中。也許還有這樣一個事實，即八年來，IBM的收入和利潤始終在下降，而谷歌及其母公司Alphabet的相關數字卻在增長。在這樣的背景下，以及各自不同的目標，可能會影響兩者在量子計算競賽中誰會處于領先地位。
一場宏大的實驗
量子計算機的基本構件是量子比特。在傳統計算機中，一個比特可以存儲0或1，而一個量子比特不僅可以存儲0或1，還可以存儲一種被稱為“疊加”的中間狀態，這可以讓它采用許多不同的值。一個類比是，如果信息是彩色的，那么傳統比特可能是黑色或白色。當量子比特疊加時，它可以成為光譜上的任何顏色，也可以在亮度上有所不同。
其結果是，與傳統比特相比，量子比特可以存儲和處理大量信息。當這些將量子比特連接在一起時，容量會呈指數級增長。在谷歌的Sycamore芯片上存儲53個量子比特中的所有信息，將需要大約72PB(720億GB)的傳統計算機內存。不需要太多的量子比特，其存儲和處理能力就可與行星大小的傳統計算機相媲美。
但量子比特并非沒有缺點。量子比特相互之間的作用更微妙，且容易受到干擾，需要與熱、振動和雜散原子幾乎完全隔絕，這就是谷歌量子實驗室“枝形吊燈”冰箱的由來。即便如此，它們在“解碼”并失去“疊加”狀態之前最多也只能工作幾百微秒。量子計算機并不總是比傳統計算機快，它們只是不同的機器，執行某些任務時快一些，其他任務時則會慢一些，并且需要不同種類的軟件。要比較它們的性能，我們必須編寫近似模擬量子的經典程序。
在其實驗中，谷歌選擇了一種名為“隨機量子電路抽樣”的基準測試。它生成數百萬個隨機數，但帶有輕微的統計偏差，這是量子算法的一個標志。如果Sycamore是個袖珍計算器，那就相當于隨機按下按鈕，檢查顯示屏是否顯示了預期的結果。
谷歌在自己的大型服務器場和位于橡樹嶺國家實驗室的世界最大超級計算機Summit上模擬了其中的一部分。研究人員估計，Sycamore需要200秒時間完成全部工作，而Summit頂峰大約需要1萬年，這就是“量子霸權”。
那么IBM的反對理由是什么呢？基本上，讓一臺傳統計算機模擬量子計算機有不同的方法：你編寫的軟件，你切割和存儲數據的方式，以及你使用的硬件，都會對模擬的運行速度產生很大影響。IBM表示，谷歌假設模擬將需要被分成很多塊，但Summit擁有280PB的存儲空間，足以同時容納Sycamore的整個狀態。IBM建造了Summit，所以它對此非常了解。
截然不同
位于紐約市北部郊區的IBM托馬斯-沃森研究中心(Thomas J.Watson Research Center)是芬蘭建筑師埃羅·薩里寧(Eero Saarinen)的新未來主義杰作，它光滑、蜿蜒的曲線與谷歌團隊不起眼的挖掘工作相去甚遠，兩者有著天壤之別。這棟建筑于1961年完工，當時IBM用大型機制造了大量產品，它具有博物館般的品質，提醒每個在里面工作的人，從分形幾何到超導體，再到人工智能和量子計算，該公司在各個領域都取得了突破。
這個擁有4000多人的研究部門的負責人是西班牙人達里奧·吉爾(Dario Gil)，他的連珠炮似的演講速度總是能讓人感受到他的熱情。在接受采訪時，他經常滔滔不絕地講述IBM取得的歷史里程碑，旨在強調IBM參與量子計算相關研究的悠久歷史。
但幾十年來，IBM卻難以將其研究成果轉化為商業成功案例。以最近的超級計算機Watson為例，IBM試圖將其轉變為機器人醫學大師。該公司的目的是在海量的醫療數據中提供診斷并確定趨勢，不過盡管與醫療保健提供者建立了數十個合作伙伴關系，但幾乎沒有商業應用，即使是那些確實出現的應用也產生了好壞參半的結果。
按照吉爾的說法，量子計算團隊正試圖通過并行研究和業務開發來打破這種循環。幾乎當它有了可以工作的量子計算機時，它就開始通過將它們放到云端，讓外人能夠訪問它們。在云端，可以通過在網絡瀏覽器中工作的簡單拖放界面來對它們進行編程。“IBM Q Experience”于2016年推出，現在由15臺公開發售的量子計算機組成，大小從5個量子比特增至53個量子比特不等。每月約有12000人使用它們，從學術研究人員到在校兒童。IBM表示，它已經有100多個客戶通過付費來使用大機器。
這些設備或世界上任何其他量子計算機(除了谷歌的Sycamore)，都沒有顯示出它們在任何方面都能擊敗傳統計算機。對IBM來說，這不是現在的重點，該公司需要讓這些機器在網上可用，讓公司了解未來的客戶可能需要從它們那里獲得什么，并允許外部軟件開發人員學習如何為它們編寫代碼。這反過來又有助于它們的發展，使隨后的量子計算機變得更好。
IBM認為，這個周期是實現其所謂“量子優勢”的最快途徑。在未來，量子計算機不一定會把傳統計算機拋諸腦后，而是會更快或更高效地做些有用的事情，足以使它們在經濟上物有所值。IBM表示，“量子霸權”是一個單一的里程碑，而“量子優勢”則是“連續的里程碑”，是個能夠逐漸擴大的可能性世界。
這就是吉爾關于IBM宏偉的統一理論：通過將其傳統、技術專長、他人的智慧和對商業客戶的奉獻相結合，它可以比任何人更快、更好地制造有用的量子計算機。
美國德克薩斯大學奧斯汀分校物理學家斯科特·亞倫森(Scott Aaronson)說，從這種觀點來看，IBM認為谷歌的“量子霸權”演示只是“室內把戲”。充其量，這只是一種從真正需要進行的工作中轉移注意力的浮華現象。在最壞的情況下，這甚至是一種誤導，因為它可能會讓人們認為量子計算機可以在任何事情上擊敗傳統計算機，而不是局限于非常狹隘的任務上。吉爾說，對于“霸權”這個單詞，公眾很可能產生誤解。當然，谷歌對此的看法截然不同。
艱難起點
谷歌在2006年首次接觸量子問題時還只是剛剛成立8年的初創公司，直到2012年才成立專門的量子實驗室。同年，加州理工學院的物理學家約翰·普雷斯基爾(John Preskill)創造了“量子霸權”這個詞。
谷歌實驗室的負責人是德國計算機科學家哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)，他有著威嚴的風度，喜歡“火人節”式的別致。有時候他會穿著毛茸茸的藍色外套，甚至穿著全銀色的服裝，讓他看起來像個邋遢的宇航員。
最初，奈文購買了由外部公司D-Wave制造的機器，并花了一段時間試圖在它上面實現“量子霸權”，但沒有成功。他說，2014年，他說服時任谷歌首席執行官的拉里·佩奇(Larry Page)投資建造量子計算機，承諾谷歌將接受普雷斯基爾的挑戰。奈文回憶稱：“我們告訴佩奇，三年后我們會回來，在你的桌子上放上原型芯片，至少可以計算傳統計算機無法處理的問題。”
由于缺乏IBM的量子專業知識，谷歌從外部聘請了一個團隊，由加州大學圣巴巴拉分校的物理學家約翰·馬蒂尼斯(John Martinis)領導。馬蒂尼斯和他的團隊已經躋身世界上最好的量子計算機制造團隊之列，他們成功地將最多9個量子比特串連在一起，內文對佩奇的承諾似乎是他們瞄準的目標。
三年的最后期限一拖再拖，因為馬蒂尼斯的團隊努力制造出足夠大和足夠穩定的芯片來迎接挑戰。2018年，谷歌發布了迄今為止最大的量子處理器Bristlecone。憑借72個量子比特，它遠遠領先于競爭對手制造的任何產品，馬蒂尼斯預測同年它將實現“量子霸權”。但有些團隊成員一直在并行開發一種不同的芯片架構，名為Sycamore，最終證明能夠用更少的量子比特做更多的事情。因此，53量子比特的芯片（最初是54個，但其中一個發生了故障）最終在去年秋天實現了目標。
出于實際目的，演示中使用的程序實際上毫無用處：它生成隨機數，這不是你需要量子計算機來做的事情。但它以一種傳統計算機很難復制的特殊方式生成它們，從而建立了概念證明。
問IBM研究人員他們對這一成就的看法，你會看到痛苦的表情。IBM量子團隊負責人、說話謹慎的澳大利亞人杰伊·甘貝塔(Jay Gambetta)說：“我不喜歡量子霸權這個詞，也不喜歡它的含義。問題在于，幾乎不可能預測任何給定的量子計算對于傳統計算機來說是否會很難，所以在一個案例中實現量子霸權并不能幫助你證明其在其他案例中同樣有效。”
對于與IBM以外的每個人交談過的人來說，這種拒絕將“量子霸權”視為重大成就的做法近乎固執。奈文說：“任何想要推出具有商業意義產品的人，都必須首先展示他們的霸主地位，我認為這只是基本的邏輯。”甚至連溫文爾雅的麻省理工學院物理學家威爾·奧利弗(Will Oliver)也說：“這是個非常重要的里程碑，它展示了量子計算機在某些任務上的表現優于傳統計算機，無論是什么任務。”奧利弗始終是這場爭論中最公正的觀察者之一。
量子飛躍
奧利弗說，不管你是否同意谷歌或IBM的立場，下一個目標是明確的，即建造一臺可以做些有用事情的量子計算機。人們希望，這些機器有一天能夠解決更多問題，這些問題需要更強大計算能力，比如模擬復雜分子以幫助發現新藥和新材料，或者實時優化城市交通流量以減少擁堵，亦或者是進行長期的天氣預報。
最終，他們可能能夠破解今天用于保護通信和金融交易的密碼，盡管到那時，世界上大多數國家可能已經采用了量子抵抗密碼技術。但問題是，幾乎不可能預測第一個有用的任務是什么，或者需要多大的計算機來執行它。
這種不確定性既與硬件有關，也與軟件有關。在硬件方面，谷歌估計其目前的芯片設計可以使其達到100到1000量子比特之間。然而，正如汽車的性能不僅僅取決于發動機的大小一樣，量子計算機的性能也不僅僅是由其量子比特的數量決定的。還有許多其他因素需要考慮，包括它們可以被阻止解碼多長時間，它們有多容易出錯，它們運行的速度有多快，以及它們是如何相互連接的。這意味著今天運行的任何量子計算機只實現其全部潛力的一小部分。
量子比特存儲信息的方式就像篩子存儲水一樣，即使是最穩定的量子比特也會在幾百微秒內“解碼”或脫離脆弱的量子態。甚至在那之前，錯誤就開始堆積起來。這意味著量子計算機在陷入停頓之前只能做這么多的運算。谷歌更大的芯片在30到40微秒后解碼，足以讓它們通過多達40個量子邏輯門的序列。IBM的速度可以達到500微秒，但它們處理門的速度也更慢。
與此同時，量子計算機的軟件和機器本身一樣處于初級階段。在傳統計算中，編程語言現在與早期軟件開發人員必須使用的原始“機器代碼”相差了幾個級別，因為數據如何存儲、處理和轉移的細節已經標準化。領導谷歌團隊軟件工作的戴夫·培根(Dave Bacon)說：“在一臺傳統計算機上，當你對它進行編程時，你不需要知道晶體管是如何工作的。”
另一方面，量子碼必須根據它將要運行的量子比特進行高度定制，以便最大限度地發揮它們無法預測的性能。這意味著IBM芯片的代碼不會在其他公司的芯片上運行，即使是優化谷歌53量子位Sycamore的技術，也不一定會在未來的100量子比特機器上運行得很好。更重要的是，這意味著沒有人能夠預測這100個量子比特能夠解決多難的問題。
任何人最敢于期待的是，在接下來的幾年里，擁有幾百個量子位的計算機將被開發起來，模擬一些中等復雜的化學物質，甚至可能足以推動新藥或更高效電池的研究。然而，“解碼”和錯誤將使所有這些機器在它們可以做任何真正困難的事情(如破解密碼)之前就進入停頓狀態。
這將需要一臺“容錯”量子計算機，一臺可以糾正錯誤并保持自身無限期運行的量子計算機，就像傳統計算機一樣。預期的解決方案將是創建冗余：使數百個量子比特作為一個量子比特，處于共享的量子狀態。總而言之，他們可以糾正單個量子比特的錯誤。當每個量子比特屈服于“解碼”時，它的鄰居會讓它起死回生，在一個永無止境的相互復蘇過程中循環。
典型的預測是，需要多達1000個相連的量子比特才能達到這種穩定性。這意味著要建造一臺具有1000個量子比特能力的計算機，你實際上需要建造100萬臺。奈文說，谷歌“保守地”估計，它可以在10年內制造出百萬量子比特的處理器，盡管還有些重大的技術障礙需要克服，包括IBM可能仍有超過谷歌的優勢。
到那時，很多事情可能已經改變了。谷歌和IBM目前使用的超導量子比特可能會被證明是他們那個時代的真空管，取而代之的是更穩定可靠的東西。世界各地的研究人員都在試驗制造量子比特的各種方法，盡管很少有人能夠進展到可以建造可用量子計算機的程度。Rigetti、IonQ或Quantum Circuit等競爭對手可能會在某項特定技術上發揮優勢，超越更大的公司。
兩大巨頭的對決
谷歌和IBM的超導量子比特幾乎完全相同，只有一個微小但潛在的關鍵區別。在谷歌和IBM的量子計算機中，量子比特本身都是由微波脈沖控制的。微小的制造缺陷意味著，沒有兩個量子比特響應完全相同頻率的脈沖。對此有兩種解決方案：改變脈沖的頻率以找到每個量子比特的最佳位置，就像抖動鎖中切割嚴重的鑰匙直到它打開。或者使用磁場將每個量子比特“調諧”到正確的頻率。
IBM使用第一種方法，谷歌使用第二種方法，每種方法都有優缺點。谷歌的可調量子比特工作更快、更精確，但穩定性較差，需要更多電路。IBM的固定頻率量子比特更穩定、更簡單，但運行速度更慢。從技術角度看，這幾乎是個未知之謎，至少在這個階段是這樣。不過，就公司理念而言，這就是谷歌和IBM的不同之處。或者更確切地說，就是量子比特的特性。
谷歌選擇了變得更靈活。奈文說：“總的來說，我們的理念更傾向于提高可控性，而不是犧牲人們通常尋找的數字。”另一方面，IBM選擇了可靠性。吉爾說：“做一個局限于實驗室的實驗和發表一篇論文，與建立一個可靠性高達98%的系統，在那里你可以一直運行，兩者之間有很大的不同。”
目前，谷歌明顯占據了優勢。然而，隨著機器變得越來越大，優勢可能會轉向IBM。每個量子比特都由它自己的單獨導線控制，一個可調諧的量子比特需要額外的導線。弄清楚幾千或幾百萬個量子比特的布線將是兩家公司面臨的最嚴峻的技術挑戰之一。IBM表示，這是他們選擇固定頻率量子比特的原因之一。谷歌團隊負責人馬蒂尼斯指出，他個人在過去三年里始終在努力尋找布線解決方案。他開玩笑說：“這是一個如此重要的問題，我為此付出了努力。”
新的摩爾定律？
IBM不計算量子比特，而是跟蹤它所稱的“量子體積”，這是一種衡量計算機實際可以處理問題復雜程度的指標。它的目標是保持這一衡量標準每年翻一番，這是著名摩爾定律的量子版本，IBM以其首席量子理論家杰伊·甘貝塔(Jay Gambetta)的名字將該定律命名為“甘貝塔定律”(Gambetta‘s Law)。到目前為止，這個理論已經保持了三年，這就是戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965年假設摩爾定律時所擁有的數據。
但考慮到它們的規模和財富，谷歌和IBM都有機會成為量子計算領域的重要參與者。公司將租用他們的機器來解決問題，就像他們目前從亞馬遜、谷歌、IBM或微軟租用基于云的數據存儲和處理能力的方式一樣。開始時物理學家和計算機科學家之間的爭斗將演變成商業服務部門和營銷部門之間的競爭。
哪家公司最有可能贏得這場比賽？收入不斷下降的IBM可能比谷歌有更大的緊迫感，它從痛苦的經歷中知道了緩慢進入市場需要付出的代價：去年夏天，IBM斥資340億美元收購了開源云服務提供商紅帽(Red Hat)，這是它有史以來最昂貴的一筆收購，目的是在該領域趕上亞馬遜和微軟，扭轉其財務命運。IBM將量子機器放到云端并從一開始就建立付費業務的戰略，似乎是為了讓它領先一步。
谷歌最近開始效仿IBM，其商業客戶現在包括美國能源部、大眾汽車和戴姆勒。馬蒂尼斯說，它沒有早點這么做的原因很簡單：“我們沒有資源把它放到云端。”但這是另一種說法，它擁有不必將業務發展作為優先事項的底氣。
這一決定是否會給IBM帶來優勢，現在下結論還為時過早，但可能更重要的是，這兩家公司在未來幾年將如何運用他們的其他優勢來解決這個問題。吉爾說，IBM將受益于其在從材料科學和芯片制造到為大公司客戶服務的方方面面的“全套”專業知識。另一方面，谷歌可以夸耀硅谷式的創新文化和在迅速擴大運營方面的大量實踐。
至于“量子霸權”本身，這將是歷史上的一個重要時刻，但這并不意味著它將是一個決定性的時刻。畢竟，每個人都知道賴特兄弟的首次飛行，但有人能記得他們之后做了什么嗎？
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