国华的世界
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2019年10月24日，著名自然(Nature)杂志发表了一篇名为《利用可编程超导处理器实现量子霸权》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor) 的论文，宣布谷歌的悬铃木(Sycamore) 量子计算机，实现了“量子霸权”。谷歌使用超冷超导金属构建量子电路来操纵量子比特。悬铃木(Sycamore) 量子计算机(下图 WIRED) 拥有54个量子比特阵列，这些量子位被冷却到绝对零度以上的分数。除一个量子位外，53个量子位发挥了它们的功能，并在200秒内完成了一项需要超级计算机1万年才能完成的任务。由此，首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性。
一年多后的2020年12月3日，《科学》杂志在线发表了中国大陆科学家关于量子计算机原型实验结果的科学论文。中国科技大学的潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章” (下图 ScienceNews)，求解数学算法“高斯玻色取样”。“九章”由激光器作为光源和分束器组成，还有数百个棱镜和几十个反射镜，为光子的传播提供随机路径。“九章”处理5000万个样本只用了200秒，而目前世界最快的超级计算机(日本富岳)则需花6亿年的时间。
量子霸权
量子霸权又称量子优势(quantum supremacy or quantum advantage) ，是由美国加州理工学院理论物理学家，该校量子信息与物质研究所所长约翰·普雷斯基尔(John Phillip Preskill) (下图 Alchetron) 创造的。普雷斯基尔在2012年提出了“量子霸权”(quantum supremacy) 的专业词汇：量子计算机可以做到经典计算机所做不到的事情，而不管这些任务是否有意义。换句话说，量子霸权的目标是证明量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力，一个可编程的量子设备可以解决一个经典计算机在任何可行的时间内都无法解决的问题(而不考虑问题的实用性)。通过这一新术语，他想要强调，这是星球历史上的一个特权时期，即基于量子物理学原理的信息技术正在崛起。
量子计算之所以能快，全在于其量子计算时的叠加状态。我们今天广泛使用的经典计算机操作时，信息存储为二进制0和1状态，一次可以处理“1”或“0”。而量子计算机利用量子力学的原理，用量子比特(qubits) 计算，处理器可以同时是1和0，即量子叠加的状态。根据量子力学的基本原理，一个量子比特可以同时有两种状态；两个量子比特则可以同时表示4种状态；三个量子比特可以同时表示8种状态等等。随着量子比特数目的增加，其运算能力也呈指数级增加。
“天下武功，唯快不破。”由于量子叠加，一台量子计算机——如果它按计划工作的话——可以模仿几个并行工作的经典计算机。具体表现，若从800万本书里找一单词，经典计算机会一本本地搜索，而量子计算机则分身为800万台计算机同步搜寻(下图 SceienceAdvances)。孰优孰劣一目了然。当然，实际运作并非如此简单粗暴。
量子计算机将在多个领域得到实际应用，从国防到气候变化建模，再到药物开发等等。量子计算机将提供一种全新的科技手段，引领生物医药、化工能源、药物研发、新型材料研究、新型半导体开发、数字安全领域，AI、大数据等领域的革命性变化。波士顿管理咨询公司预计：在大型稳定的量子计算机及新的财务算法支持下，其旗下管理的资产到2050年时的整体年度收益最少提升4500亿美元，最高提升8500亿美元。量子计算机这种相较于经典计算机的碾压式优越性，让包括美、中在内的世界各国全力以赴地追逐量子霸权(下图 Google Images)：量子霸权的实现和实用化将有助于一国在新一轮技术革命中的地位与国运。
量子计算瓶颈
理想虽丰满，但现实很骨感。虽然量子计算机前景看好，它离商用却还相距甚远，因为人类现在尚不能造出一台大型稳定的量子计算机。量子计算机研发仍面临一些瓶颈，其中之一便是可制备的比特数量。研究人员使用量子纠缠来获取信息。在量子纠缠中，粒子被连接在一起，测量其中一个粒子的属性便可以直接揭示另一个粒子的相关信息，而不管这两个粒子相距多远。但是，如何进一步高效地扩展纠缠的量子比特数目并让其维持这种纠缠状态，是量子技术研究领域遭遇的严峻挑战。
可延展性则是横亘在实用量子技术前的另一道坎: 可延展性是衡量系统响应应用程序和系统处理需求的变化而提高或降低性能和成本的能力。例如，当用户数量增加时，硬件系统的性能如何，数据库如何承受不断增长的查询数量，或者操作系统在不同类型的硬件上的性能如何，这些都是量子技术尚待解决的问题。
再就是量子相干时间(下图 jqi)。量子相干时间指量子比特能够维持量子态的时间长度。其维持“叠加态”(量子比特同时代表1和0) 时间越长，它能够处理的程序步骤就越多，因而可以进行的计算就越复杂。而当量子比特失去相干性时，信息就会丢失。此过程称为退相干，最终会限制计算机的运行时间。超导量子比特是当今主要的量子比特模态，已经在完整性这一关键指标上取得了指数级的提升，1999 年时它的持续运行时间还不到一纳秒，2020年底时性能最好的设备已经达到了约 200 微秒。麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）和太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，简称 PNNL）的研究人员在一篇2020年8月发表在《自然》(Nature) 的论文中说，混凝土墙体中微量元素释放的低水平但无害的背景辐射，以及进入地球的宇宙射线，皆足以引发量子比特的退相干。他们还发现，如果置之不理，这一现象将会将量子比特的性能限制在仅仅数毫秒。这些干扰，在量子世界中被称为“噪声”，包括振动、辐射、电磁波或温度的微小变化。任何一种“噪声”都会影响到量子比特的叠加态。加入的量子比特位越多，“噪声”就有可能越大，从而引发更多的退相干。问题是为了让量子计算机能够扩展到应用功能，需要大量的量子比特 – 当今最强大的量子计算机只有不到100个量子比特，据预测，可实际用于药物开发的量子计算机，需要数百万个量子比特。最新消息，清华大学交叉信息研究院金奇奂研究组近日首次在离子阱系统中实现了超过一个小时的单量子比特相干时间，刷新了此前660秒的纪录。公布该成果的研究论文（Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour）于今年1月11日在线刊发于《自然·通讯》(nature communications)。
在软件方面，也还面临将一个问题化解成具体操作的量子计算机算法问题。量子计算的逻辑与经典计算有很大不同，需要软件编程者和应用开发者具备量子计算的思维和工程适配能力，从而使量子软件开发颇具挑战性。目前能实现的算法包括“分解质因数、” “量子搜索、” “玻色取样、”和“随机量子线路采样。”
因为量子比特数决定单次运算的数据量大小，相干时间决定维持高性能计算的时长，量子算法决定了量子计算机解决问题的范围。显然，量子计算机仍然需要在量子比特制备、相干时间长度、和合适的量子计算机算法等硬软件方面继续有所突破，以及新材料在量子计算硬件上的创新，才有望最终实现商用。无疑，量子计算机的商用仍然任重道远。
量子霸权领先者
虽然加拿大D-Wave公司已率先制成并销售量子计算机，但量子霸权的真正玩家是美国和中国大陆。两国主要的竞争是在量子计算方面。因为量子通信方面，大陆因其墨子号量子卫星(下图 thehackernews) 的发射试用而一骑绝尘，独步江湖。当然，也需要指出美国因实用性及轻重缓急原因而专注于量子计算，在量子通信方面着力不多。
在量子计算方面，美国处于世界领先地位。专利情况：拥有最多量子计算发明专利的系加拿大企业D-Wave，而美国的企业数量占绝对优势。截至2019年9月30日，全球量子计算技术发明专利前20企业中，美国企业占比接近50%，远超第二名日本15%，中国企业本源量子在该榜单中位列第12名(下图 Google Images)。IBM, Microsoft, Intel, Google 等美国科技巨头占据榜单的一半以上。
论文情况：据中国信息通信研究院2019年10月统计 ，从发表论文数量的机构来源看，科技巨头同样占据优势。过去5年量子计算论文主要机构前三甲中有两家是科技巨头 - IBM和Microsoft分别夺得第一和第三，MIT作为论文数量最多的高校位于第二。近五年来排名前 20 的机构中，中国大陆占据 3 席，分别是中国科学院、中国科学技术大学和清华大学。其中，中国科学院的发文量持续快速上升，过去一年的新增论文数量仅次于美国 MIT和荷兰 TU Delft。此外，德国 ETH Zurich、 Max Planck Society、加拿大Waterloo 大学、蒙特利尔大学、日本东京大学也是重要的创新主体。
技术路径
目前至少有五种研发量子计算的技术路径(下图 analyticsindiamag)：1. 谷歌，IBM和Rigetti(美)的超导量子比特技术；2. 中国大陆和PsiQuantum(美)的光子量子比特技术；3. 离子Q(美)和霍尼韦尔(美)的俘获离子量子位技术；4. 哈佛大学Mikhail Lukin小组的中性原子量子位(Neutral atom qubits)技术；和5. 澳大利亚的一个小组在做的硅量子比特(silicon qubits) 技术。此外还有微软正在做的拓扑量子比特。
就具体量子计算机而言，谷歌“悬铃木”走的是超导量子比特技术路径，目前能做“随机量子线路采样。”超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，核心器件为超导约瑟夫森结(Josephson Junction)。超导量子比特可控性强、拓展性良好、超导量子电路在设计、制备和测量等方面可依托现有成熟的集成电路工艺，系目前最有希望实现通用量子计算的实现方法之一。但超导量子计算对运行条件要求高，必须全程保持在-273.12℃(30mK)的超低温环境。
大陆的“九章”走的是光量子比特技术路径，目前能做“高斯玻色取样”这一特定任务。光量子比特技术是利用激光激发量子点产生单光子，通过开关分成多路，再通过光纤导入主体设备光学量子网络，最后利用单管子探测器探测结果。光量子技术具有量子比特相干时间长、操控简单、可在常温下运行，与光纤和集成光学技术相容，拓展性好。但其劣势明显--很难小型化，量子比特之间逻辑操作困难，无法编程。由此，光量子技术难以发展为通用量子计算机。
美国也有做类似“九章”的光子量子计算机的，但不及“九章”。同样，大陆也有做类似“悬铃木”的超导量子计算机的，也与“悬铃木”有距离。据大陆中国科技大学的潘建伟院士在西湖大学公开课上的演讲中透露，他的一个团队正在开展与谷歌“悬铃木”同样技术路的60个超导比特的量子相干控制。
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未完待续
参考资料
本源量子. (2020). 光量子计算机和超导量子计算机各有哪些优缺点？知乎. 链接 https://www.zhihu.com/question/434347308/answer/1639147445
南生今世说. (2020). 量子通讯，量子计算，中美两国谁更强？日本排在什么位置呢？ 360doc. 链接 http://www.360doc.com/content/20/1230/05/73150514_954297149.shtml
享小龚. (2020). 中美量子计算机的差距在哪里. 百度. 链接 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1676424313563330364&wfr=spider&for=pc
张楠奇. (2020). 2020已过大半，量子计算机发展如何了？链接 https://blog.csdn.net/csdnnews/article/details/108744485
黄乐平. (2020).中金公司：中金首席访谈：量子科技时代真的会到来吗？中金网. 链接 http://www.cngold.com.cn/dealer/jysxw/20201023f12103n0687949160.html
黄乐平, 闫慧辰, 成乔升, 韦昕. (2020). 前沿科技#2：量子计算能延续摩尔定律的神话吗？ 中金公司. 链接 http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202005131379628884_1.pdf
深科技. (2020). 中国自主研发超导量子计算机上线，“我们要死死咬住他们”｜专访. 百度. 链接 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1677909632199396049&wfr=spider&for=pc
石亚琼 & 李子月. (2020). 百亿美元市场背后，全球量子竞赛再加速. 阿尔法公社. 链接 https://xueqiu.com/1200147200/163467535
翁文康. (2018). 量子计算： 突破摩尔定律，开启算力新时代 . 华为专家论坛, 81 , 20-23. 链接 https://www-file.huawei.com/-/media/corporate/pdf/publications/communicate/81/05-cn.pdf
Eversden, A. (2020). US Army-funded research project makes inroads on scaling quantum processors. C4ISRNET. 链接 https://www.c4isrnet.com/battlefield-tech/it-networks/2020/08/17/us-army-funded-research-project-makes-inroads-on-scaling-quantum-processors/
Guterl， F. (2020). As China Leads Quantum Computing Race, U.S. Spies Plan for a World with Fewer Secrets. Newsweek Magazine. 链接 https://www.newsweek.com/2020/12/25/china-leads-quantum-computing-race-us-spies-plan-world-fewer-secrets-1554439.html
Kaur, D. (2020). Is China leading the quantum computing race? TechWireAsia. 链接 https://techwireasia.com/2020/12/is-china-leading-the-quantum-computing-race/
O’Brien, J. (2019). Why I Called It ‘Quantum Supremacy’. Quantamagazine. 链接 https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/
Skoff, G. (2020). Scaling up: Quantum computing’s greatest challenge. PROJECT Q. 链接 https://projectqsydney.com/scaling-up/
Srivastava, S. (2020). Top 10 countries leading in quantum computing technology. Analitics Insight. 链接 https://www.analyticsinsight.net/top-10-countries-leading-quantum-computing-technology/
Tennenbaum, J. (2020). China gaining fast on US quantum computing lead. Asia Times. 链接 https://asiatimes.com/2020/12/china-gaining-fast-on-us-quantum-computing-lead/
Vepsäläinen, A. et. al. (2020). Impact of ionizing radiation on superconducting qubit coherence. Nature. 链接 https://www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8#Abs1
Wiki. (2021). Quantum Supremacy. 链接 https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_supremacy
“赞！明白人！潘就是一个搞量子忽悠的富豪院士。”
“量子通信是忽悠，量子卫星是笑话。那个潘建伟十几年来一直在用那几十片偏振光片在忽悠，真是”一骑绝尘，独步江湖“”
赞！明白人！潘就是一个搞量子忽悠的富豪院士。
“文章中在“量子霸权”边注释了一下“quantum supremacy”。
美国的科学文献上出现“quantum"从未出现过用中文字注释”量子“。
所有的科学数学工程词汇都是如此. 这就是supremacy。”
"谢谢！"
美国的科学文献上出现“quantum"从未出现过用中文字注释”量子“。
所有的科学数学工程词汇都是如此. 这就是supremacy。