【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘禺】

“當(dāng)我想到我認(rèn)識(shí)的十個(gè)最聰明的物理學(xué)家時(shí)，我會(huì)說，其中一半人確信量子計(jì)算將成為自切片面包以來最好的東西。這將是21世紀(jì)的技術(shù)。另一半人則確信，即使你能建造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)（你肯定做不到），它也永遠(yuǎn)不會(huì)比你的筆記本電腦更有用。在有史以來最有用技術(shù)和完全無用之間存在巨大的差距……”

“炒作是真的嗎？量子計(jì)算將改變一切，還是這真的被過度夸大了，這更多是一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題，對(duì)于美國來說，這是一個(gè)極其重要的問題。”以上這些話，來自美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）今年8月公布的一個(gè)視頻。

在國內(nèi)媒體上，中國公眾也已經(jīng)聽到了太多關(guān)于量子計(jì)算的美好承諾，但其中絕大部分都是空頭支票。如果能夠開發(fā)出能容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)各種科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用都可能產(chǎn)生革命性的影響——這一假設(shè)尚未被證明，至少有兩個(gè)重要原因。

一個(gè)原因是，盡管已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)提出了一些算法和應(yīng)用，但在大多數(shù)情況下，尚未完成與現(xiàn)實(shí)世界中使用的最佳經(jīng)典替代方案進(jìn)行嚴(yán)格比較。另一個(gè)原因是，尚不清楚何時(shí)或是否可以建造一個(gè)商用量子計(jì)算機(jī)，也就是其計(jì)算價(jià)值超過其成本，特別是對(duì)于需要容錯(cuò)的應(yīng)用。容錯(cuò)的商用量子計(jì)算機(jī)，復(fù)雜性可能超過傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，要證明商用規(guī)模設(shè)計(jì)是可行的，所有必要的組件和子系統(tǒng)都能以所需規(guī)格生產(chǎn)，并能成功集成，這非常困難。

商用量子計(jì)算機(jī)真的可能嗎？美國政府現(xiàn)在正努力審視這個(gè)問題了。

美國政府的懷疑

2024年7月，DARPA宣布了量子基準(zhǔn)測(cè)試倡議（Quantum Benchmarking Initiative，簡(jiǎn)稱QBI），針對(duì)那些認(rèn)為自己有望開發(fā)出容錯(cuò)的商用量子計(jì)算機(jī)的公司。前面提到的視頻，就來自QBI的概述。

所謂量子基準(zhǔn)測(cè)試，就是要定量衡量量子計(jì)算的關(guān)鍵進(jìn)展。對(duì)量子計(jì)算的未來承諾，往往是未經(jīng)證實(shí)的，那有什么基準(zhǔn)能預(yù)測(cè)明天的量子計(jì)算機(jī)是否真正具有革命性？一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是，估計(jì)給定基準(zhǔn)性能水平所需的硬件資源。

早在多年前，DARPA就啟動(dòng)了量子基準(zhǔn)測(cè)試，在第一階段，有8個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)編制了200多個(gè)潛在應(yīng)用，從中創(chuàng)建了20個(gè)候選基準(zhǔn)，用量子計(jì)算機(jī)解決這些困難的計(jì)算任務(wù)，具備經(jīng)濟(jì)效用并可以量化。

在下一階段，DARPA選擇了三大類特定基準(zhǔn)，進(jìn)行詳細(xì)研究，分別是化學(xué)、材料科學(xué)和非線性微分方程，在樂觀的承諾中，這些都是量子計(jì)算具備優(yōu)勢(shì)，可以更高效解決的問題領(lǐng)域。DARPA選擇了五個(gè)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)嚴(yán)格、以效用為驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)完善這些選定的基準(zhǔn)，評(píng)估現(xiàn)實(shí)世界的效用，并創(chuàng)建工具以估計(jì)在現(xiàn)實(shí)量子硬件上運(yùn)行應(yīng)用程序端到端實(shí)例所需的資源和性能。結(jié)果表明，量子計(jì)算機(jī)為某些化學(xué)、材料科學(xué)應(yīng)用提供優(yōu)勢(shì)存在合理性，但目前尚不清楚是否能夠在非線性微分方程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)任何優(yōu)勢(shì)。

這次最新的倡議，名義上，DARPA聲稱是要與美國和世界各地的量子計(jì)算公司合作，確定哪些方法最有可能成功，并加以推進(jìn)，但事實(shí)上，DARPA是想要重審形形色色的量子計(jì)算項(xiàng)目，檢驗(yàn)方法和技術(shù)的成熟度。

DARPA想要回答兩個(gè)非?；镜膯栴}。第一個(gè)問題是“如果我有一個(gè)真正強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。我能用它做什么？”第二個(gè)是“是否有商業(yè)公司、學(xué)術(shù)團(tuán)體或任何團(tuán)體有在近期內(nèi)真正構(gòu)建那種機(jī)器的路徑？”

按照DARPA的說法，被QBI資金選中的執(zhí)行者，要專注于開發(fā)并描述有真正價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，也就是其計(jì)算價(jià)值超過其成本，并且在近期內(nèi)有實(shí)現(xiàn)的合理途徑。DARPA的意思就是你們別玩虛的概念，要給出健全的研究和開發(fā)計(jì)劃，提供已證明效用的應(yīng)用和算法，驗(yàn)證并確認(rèn)概念可以按設(shè)計(jì)構(gòu)建并按預(yù)期運(yùn)行，總之一句話，要對(duì)你們的項(xiàng)目做核實(shí)和評(píng)估。

而評(píng)估一個(gè)量子計(jì)算公司，看看他們的方法是否真的站得住腳，是否真的能在近期內(nèi)制造出商用的機(jī)器，這是非常困難的。所以DARPA將建立一個(gè)世界級(jí)的驗(yàn)證和確認(rèn)團(tuán)隊(duì)，邀請(qǐng)美國和外國公司參與進(jìn)來。

“如果真有可能構(gòu)建這樣一個(gè)（量子計(jì)算機(jī)），而且它真的可能具有變革性，那對(duì)于政策制定有著深遠(yuǎn)的影響。如果結(jié)果如我們?cè)S多人懷疑的那樣，真的不可能，它真的不會(huì)做一些有用的事情，或者沒有路徑，我們也需要知道這一點(diǎn)，這樣我們就可以更好地規(guī)劃我們的基礎(chǔ)研究資金。因此，DARPA正在啟動(dòng)一個(gè)名為量子基準(zhǔn)測(cè)試倡議的項(xiàng)目。這是一個(gè)由DARPA牽頭的新的重大政府計(jì)劃，目的是嘗試做到這一點(diǎn)?！?

負(fù)責(zé)QBI的Joe Altepeter博士直言不諱地表示：“我們的初始立場(chǎng)是懷疑”。具體來說，就是懷疑是否可能建造一個(gè)完全容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，擁有足夠數(shù)量的邏輯量子比特。“我們會(huì)走進(jìn)房間說，‘我們相當(dāng)確定你正在做的事情不會(huì)成功。’我會(huì)帶上一小群科學(xué)家和工程師，我們會(huì)聽取你的證據(jù)，并利用我們自己的分析進(jìn)行雙重和三重檢查。如果我們確信你正在開發(fā)的技術(shù)通過了檢查，你發(fā)現(xiàn)了一些重大的東西，我們會(huì)告訴政府的其他人，并成為你方法的堅(jiān)定支持者。”

量子霸權(quán)的爭(zhēng)議

2019年10月，谷歌宣布通過其53個(gè)量子比特的Sycamore處理器實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。在執(zhí)行隨機(jī)電路采樣的計(jì)算問題上，與經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，谷歌宣稱達(dá)到了以200秒對(duì)10000年的優(yōu)勢(shì)。特朗普的女兒伊萬卡·特朗普（Ivanka Trump）當(dāng)時(shí)在社交媒體上對(duì)谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的成就表示祝賀，并稱“美國實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)”。

然而，IBM等公司對(duì)此表示質(zhì)疑，IBM認(rèn)為使用經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)完成相同任務(wù)所需的時(shí)間可以從谷歌聲稱的10000年降低到僅需2.5天，阿里巴巴也曾發(fā)表聲明否定谷歌聲稱的量子霸權(quán)優(yōu)勢(shì)，表示可將所需時(shí)間從10000年降低到20天內(nèi)。

量子計(jì)算機(jī)會(huì)比今天的計(jì)算機(jī)快多少倍，這是一個(gè)很自然的問題。不要被谷歌的說辭迷惑，首先要明白，谷歌或任何其他公司聲稱他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子加速，都只是針對(duì)特定的、深?yuàn)W的基準(zhǔn)測(cè)試。他們的量子計(jì)算機(jī)既不能在通常的任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，也不能在破解密碼、模擬化學(xué)等有實(shí)際應(yīng)用的特定任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

而即便在“人為指定的賽道”中，所謂量子霸權(quán)（或量子加速）也是難以證實(shí)的。

解決一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間取決于算法，通常會(huì)隨著輸入數(shù)據(jù)位數(shù)n的增加而增加，形成一個(gè)函數(shù)關(guān)系。比如，一個(gè)任務(wù)采用一個(gè)經(jīng)典算法需要的步驟數(shù)隨著n指數(shù)增長(zhǎng)，而用量子計(jì)算機(jī)，以某種算法，步驟數(shù)只增長(zhǎng)為n^2就能解決，在這種情況下，對(duì)于小n，用量子計(jì)算機(jī)解決問題實(shí)際上會(huì)比用經(jīng)典方法解決問題更慢、更昂貴。只有當(dāng)n增長(zhǎng)時(shí)，量子加速才會(huì)首次出現(xiàn)，然后最終占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

但我們?cè)趺粗澜?jīng)典計(jì)算機(jī)就沒有算法捷徑呢？這個(gè)問題是量子算法研究的核心，通常困難不在于證明量子計(jì)算機(jī)可以快速完成某件事，而是令人信服地論證經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能。正如著名的難題P與NP問題，想要給出這樣的論證是非常困難的。而在過去的幾十年里，當(dāng)發(fā)現(xiàn)具有類似性能的經(jīng)典算法時(shí)，之前推測(cè)的量子加速已經(jīng)反復(fù)消失。這也就是開頭所說的兩個(gè)重要原因中的第一個(gè)。

要講清楚另一個(gè)重要原因，理解構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的困難，就要先從更基本的原理講起。