陈根：量子霸权，全球竞争

文|陈根

当前，在全球范围内，多国政府不断出台支持量子信息技术的发展战略，下拨大量资金用于以量子计算为主的量子信息技术研究。量子霸权的争夺持续为人们所关注。

量子霸权并不具有像其词义所表示的政治含义，而是一个单纯的科学术语，是说量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机而称为“量子优越性”，也叫“量子霸权”。

基于量子的叠加性，许多量子科学家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。但从目前来看，实现量子霸权仍然是一场持久战。究其原因，则与量子霸权实现的条件相关。

很长一段时间里，量子计算机的优越性都只针对特定任务。比如，谷歌的量子计算机就针对的是一种叫做“随机线路采样（Random Circuit Sampling）”的任务。一般来说，选取这种特定任务的时候，需要经过精心考量，该任务最好比较适合已有的量子体系，同时对于经典计算来说很难模拟。

这意味着，量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题，量子计算机则不具有优势。

事实上，这也是继“Sycamore”之后中国团队宣布量子计算机“九章”实现量子霸权的创造性突破所在。其中，“悬铃木”量子优越性的实现依赖其样本数量。事实上，虽然采集100万个样本时，“悬铃木”仅需要 200 秒，超算 Summit 则需要 2 天，量子计算相比于超级计算机有优越性。

但如果采集 100 亿个样本的话，经典计算机仍然只需要2天，可是“悬铃木”却需要 20 天才能完成这么大的样本采样。在这样的条件下，量子计算反而丧失了优越性。

然而，“九章”所解决的高斯玻色采样问题，其量子计算优越性不依赖于样本数量。同时，从等效速度来看，“九章”在同样的赛道上，比“悬铃木”还快了一百亿倍。根据目前最优的经典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 个样本，如果用我国的“太湖之光”，需要运行 25 亿年，如果用目前世界排名第一的超级计算机“富岳”，也需要 6 亿年。

此外，在态空间方面，“九章”也以输出量子态空间规模达到 1030 的优势远远优于“悬铃木”。可以说，“九章”的出色表现，牢固确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，更是量子计算领域的一个重大成就。

更广泛地说，掌握控制作为量子比特的光子的能力是构建任何大规模量子互联网的先决条件。但总的来说，不论是从量子计算的数量还是精度，是经典计算的潜力或者局限，量子计算和经典计算的竞争都将是一个长期的动态过程。