【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘禺】

“當(dāng)我想到我認(rèn)識的十個最聰明的物理學(xué)家時，我會說，其中一半人確信量子計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，即使你能建造一個量子計算機(jī)（你肯定做不到），它也永遠(yuǎn)不會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？量子計算將改變一切，還是這真的被過度夸大了，這更多是一個基礎(chǔ)科學(xué)問題，對于美國來說，這是一個極其重要的問題?！币陨线@些話，來自美國國防部高級研究計劃局（DARPA）今年8月公布的一個視頻。

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)出能容錯的量子計算機(jī)，對各種科學(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，至少有兩個重要原因。

一個原因是，盡管已經(jīng)為量子計算機(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。另一個原因是，尚不清楚何時或是否可以建造一個商用量子計算機(jī)，也就是其計算價值超過其成本，特別是對于需要容錯的應(yīng)用。容錯的商用量子計算機(jī)，復(fù)雜性可能超過傳統(tǒng)超級計算機(jī)。因此，要證明商用規(guī)模設(shè)計是可行的，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。

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

美國政府的懷疑

2024年7月，DARPA宣布了量子基準(zhǔn)測試倡議（Quantum Benchmarking Initiative，簡稱QBI），針對那些認(rèn)為自己有望開發(fā)出容錯的商用量子計算機(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)測試，就是要定量衡量量子計算的關(guān)鍵進(jìn)展。對量子計算的未來承諾，往往是未經(jīng)證實的，那有什么基準(zhǔn)能預(yù)測明天的量子計算機(jī)是否真正具有革命性？一個關(guān)鍵指標(biāo)就是，估計給定基準(zhǔn)性能水平所需的硬件資源。

早在多年前，DARPA就啟動了量子基準(zhǔn)測試，在第一階段，有8個跨學(xué)科團(tuán)隊編制了200多個潛在應(yīng)用，從中創(chuàng)建了20個候選基準(zhǔn)，用量子計算機(jī)解決這些困難的計算任務(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，這些都是量子計算具備優(yōu)勢，可以更高效解決的問題領(lǐng)域。DARPA選擇了五個團(tuán)隊，根據(jù)嚴(yán)格、以效用為驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)完善這些選定的基準(zhǔn)，評估現(xiàn)實世界的效用，并創(chuàng)建工具以估計在現(xiàn)實量子硬件上運行應(yīng)用程序端到端實例所需的資源和性能。結(jié)果表明，量子計算機(jī)為某些化學(xué)、材料科學(xué)應(yīng)用提供優(yōu)勢存在合理性，但目前尚不清楚是否能夠在非線性微分方程應(yīng)用中實現(xiàn)任何優(yōu)勢。

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)，但事實上，DARPA是想要重審形形色色的量子計算項目，檢驗方法和技術(shù)的成熟度。

DARPA想要回答兩個非常基本的問題。第一個問題是“如果我有一個真正強(qiáng)大的量子計算機(jī)。我能用它做什么？”第二個是“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)并描述有真正價值的量子計算機(jī)，也就是其計算價值超過其成本，并且在近期內(nèi)有實現(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)計劃，提供已證明效用的應(yīng)用和算法，驗證并確認(rèn)概念可以按設(shè)計構(gòu)建并按預(yù)期運行，總之一句話，要對你們的項目做核實和評估。

而評估一個量子計算公司，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將建立一個世界級的驗證和確認(rèn)團(tuán)隊，邀請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（量子計算機(jī)），而且它真的可能具有變革性，那對于政策制定有著深遠(yuǎn)的影響。如果結(jié)果如我們許多人懷疑的那樣，真的不可能，它真的不會做一些有用的事情，或者沒有路徑，我們也需要知道這一點，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正在啟動一個名為量子基準(zhǔn)測試倡議的項目。這是一個由DARPA牽頭的新的重大政府計劃，目的是嘗試做到這一點。”

負(fù)責(zé)QBI的Joe Altepeter博士直言不諱地表示：“我們的初始立場是懷疑”。具體來說，就是懷疑是否可能建造一個完全容錯的量子計算機(jī)，擁有足夠數(shù)量的邏輯量子比特?！拔覀儠哌M(jìn)房間說，‘我們相當(dāng)確定你正在做的事情不會成功?！視弦恍∪嚎茖W(xué)家和工程師，我們會聽取你的證據(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，我們會告訴政府的其他人，并成為你方法的堅定支持者。”

量子霸權(quán)的爭議

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

然而，IBM等公司對此表示質(zhì)疑，IBM認(rèn)為使用經(jīng)典超級計算機(jī)完成相同任務(wù)所需的時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，表示可將所需時間從10000年降低到20天內(nèi)。

量子計算機(jī)會比今天的計算機(jī)快多少倍，這是一個很自然的問題。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)實現(xiàn)了量子加速，都只是針對特定的、深奧的基準(zhǔn)測試。他們的量子計算機(jī)既不能在通常的任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計算機(jī)，也不能在破解密碼、模擬化學(xué)等有實際應(yīng)用的特定任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計算機(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）也是難以證實的。

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

但我們怎么知道經(jīng)典計算機(jī)就沒有算法捷徑呢？這個問題是量子算法研究的核心，通常困難不在于證明量子計算機(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，之前推測的量子加速已經(jīng)反復(fù)消失。這也就是開頭所說的兩個重要原因中的第一個。

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