去年，谷歌的原型量子计算机在几分钟内完成了一次最先进超级计算机需要运算100年的数学计算，赢得了国际广泛赞誉。这一成就被科学界称为“量子霸权”（也称为“量子优越性”）——即量子计算机取得了传统计算机永远达不到了运算水平。
谷歌量子计算机
周四，中国科学家潘建伟领导的量子研究小组在《科学》杂志上发表了新的“量子霸权”记录。据称，这个名为“九章”的量子计算机在几分钟内完成了世界第三大超级计算机需要20亿年的时间才能得出的结果。
潘建伟在操纵“九章”
这两种量子计算体系的运作方式不同。谷歌使用超低温超导金属构建量子电路，而位于合肥的中国科技大学研究小组通过操纵光子(光的粒子)取得了实验结果。
量子计算机还远远没有准备好完成实际的工作。但是，有迹象表明，如今出现两种完全不同的量子计算形式且都能够超越超级计算机，这将提振这个萌芽产业的研发热情和投资。参与该项目的中科大物理学教授吕朝阳称，这一里程碑是迈向“大规模容错量子计算机”的“必要一步”。
谷歌及其竞争对手，包括IBM、微软、亚马逊、英特尔和几家大型初创公司，近年来都在研发量子计算硬件上投入巨资。谷歌和IBM在互联网上公布了他们最新的原型机，而微软和亚马逊的云平台则各自拥有来自其他公司(包括霍尼韦尔)的大量量子硬件。
IBM量子计算机
量子计算机的潜在能力来自于它们被称为“量子位”的基本构造单元。就像传统计算机的比特一样，它们可以代表0和1的数据;但是量子位也可以利用量子力学来获得一种被称为叠加的不寻常状态，这种叠加包含了0或1两种可能性。有了足够的量子位元，就有可能达成传统计算机无法走的计算捷径——这一优势会随着更多量子位元的协同工作而增强。
量子计算机还没有统治世界，因为工程师们还不能让足够多的量子位可靠地协同工作。它们所依赖的量子力学效应非常微妙。谷歌和中国的研究小组之所以能够完成他们的“量子霸权”，是因为他们成功地聚集了相对大量的量子位元。
谷歌的实验使用了一种名为“悬铃木”的超导体芯片，该芯片有54个量子位元，被冷却到绝对1度。其中一个量子位无法工作，但剩下的53个量子位足以证明在一个精心挑选的统计问题上它的性能优于传统计算机。一个量子计算机要做实际工作需要多少高质量的量子位元尚不清楚，专家的估计从数亿到数百万不等。
量子位
中国的研究团队使用了统计测试来证明其量子优势，但其量子数据载体采用了光子的形式，在光学镜面的反射下，通过放置在实验台上的光学电路进行传输。在这个过程最后读出的每一个光子可以被认为大致等同于在谷歌量子处理器上读出一个量子位，从而可以得到计算的结果。
研究人员在论文称，从“九章”原型机中测量到了76个光子，但平均只有43个。成员们在 “神威太湖之光”超算上运行了“九章”完成的数学计算，“神威太湖之光”是中国最强大的超级计算机，也是世界上运行速度第三快的超级计算机，但它远远无法与之媲美。研究人员计算出，要完成“九章”在3分钟多一点的时间内完成的任务，传统超级计算机需要超过20亿年的时间。
“九章”和谷歌“悬铃木”的一个区别是，光子原型不容易重新编程来运行不同的计算。它的设置被一次性硬编码到它的光学电路中。多伦多量子计算初创公司Xanadu的首席执行官和创始人克里斯蒂安·韦德布鲁克(Christian Weedbrook)也在研究光子量子计算。他说，这个结果仍然值得注意，它提醒人们，有多种可行的途径来实现量子计算。“这是光子量子计算的一个里程碑，”他说，“虽然不完美，但对我们全世界所有人都有好处。”
学术界和工业界正在开发几种不同形式的量子硬件。基于超导电路的量子位元最为突出，部分得益于谷歌和IBM的巨额投资。工业巨头霍尼韦尔(Honeywell)和包括IonQ在内的初创公司提供的量子计算机被称为“离子阱”(ion traps)，它基于悬浮在电场中的单个原子，由量子位制造，也可通过亚马逊和微软的云服务购买。
离子阱
今年9月，韦德布鲁克将他的第一个原型机公布在了网上，提供给早期客户最多12个量子位元。他说，他的团队可以制造比“九章”更灵活的设备，并相信光子量子计算机很快就能赶上其他形式的计算机。它们的优势是使用了许多电信网络中使用的相同组件。
中国研究团队的鲁教授表示，他们也在研究更大、更灵活的量子计算机版本。其他研究人员已经表明，在该小组的“量子霸权”实验中使用的技术可以用于化学计算，或解决涉及数学图形的问题，这些问题在交通和社会网络等领域非常重要。
光子量子计算和“离子阱”量子计算的支持者都表示，他们的技术应该比IBM和谷歌青睐的超导芯片更容易大规模生产，因为他们不需要把设备装在超低温冰箱里。然而，没有人知道哪种形式的量子计算会首先达到实际应用水平。“我们都有优点和缺点，” 韦德布鲁克说。
本文改译自《Wired》
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