10 月 23 日，《Nature》正式刊登 Google“实现量子霸权”论文──《使用程式化超导处理器的量子霸权》。这篇论文曾在一个月前泄漏，但很快就删掉了。
“量子优越性”是指量子电脑可完成古典电脑（当今主流电脑）无法做到的事。此概念最早由加州理工学院理论物理教授 John Preskill 在 2012 年提出。
理论上，只要给予足够时间，古典电脑可解决任何能计算的问题。因此，“量子优越性”的标准是在同一个计算工作上，量子电脑比古典电脑有显著（等比级数）加速。
Google 论文显示，他们制造出 53 个量子位元数的量子电脑，计算能力超过古典超级电脑。同样的计算量，量子电脑用 200 秒就完成了，目前最强的古典超级电脑，要花费 1 万年才能完成。
IBM 的研究人员有不同看法。10 月 21 日，IBM 研究人员发文质疑 Google 的实验方法：Google 在估算古典超级电脑需 1 万年计算有问题，IBM 的方法可让超算在 2.5 天内以更高传真度完成相同计算工作，这还是“保守、最坏情况的估计”，其他研究能进一步减少时间。
不管是 1 万年还是 2.5 天，量子电脑的速度都远超过古典电脑，背后关键原因是量子并列计算。解释量子并列计算，要从量子属性说起。
“量子”不是具体指某种粒子，而是量子世界中物质客体的总称，可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是宏观范围下的量子系统，比如“薛定谔的猫”。
日常经验中，宏观世界物体的物理量和状态在某个时刻总是确定。如一颗灯泡要么是开的，要么是关的，不可能同时是开着又是关着。
但在量子世界里，“开着又关着的灯泡”存在，因为量子有叠加态。量子叠加是指，一个量子系统可处在不同量子态的叠加态上。简言之，就是两种状态叠加在一起。
“薛定谔的猫”就是解释量子叠加的思想实验：把猫关在一个不透明的箱子里，箱子里有个装置会释放毒气。如果不开箱子观察（测量），猫就陷于死／活的叠加状态。
除了叠加态，量子还有另一个重要特徴：量子纠缠。量子纠缠是指，两个粒子即使相隔数光年之遥，也有相互联系的特徴。
▲ 首张量子纠缠图片。（Source：格拉斯大学）
1981 年，美国物理学家查德·费曼提出，原则上，人们可以设计一种电脑，透过量子力学特徴工作，模拟量子系统并采用量子方程式得到解答。由于量子系统有天然并列处理能力，用它达成目标的电脑很可能远远超越古典电脑。
古典电脑的资讯单位是位元，一般用 0 和 1 表示。一个位元，要么是 0，要么是 1。量子电脑的资讯单位是“量子位元”（qubit）。上面说到，量子有叠加态特徴，因此量子位元可以同时是 0 和 1。
有人比喻：古典位元是 “开关”，只有开和关两个状态（0 和 1），量子位元是 “旋钮”，就像收音机调频旋钮，有无穷多种状态。古典电脑透过操纵古典位元运算，量子电脑是操纵量子位元，本质上就是旋转它们。
由于叠加特徴，让量子电脑具备强大的并列计算能力。设计量子电脑时，通常会利用量子纠缠特徴，让一个粒子和其他粒子纠缠，进一步提升并列计算能力。简言之，利用量子叠加和量子纠缠可使计算能力以等比级数增长。
制造量子电脑不是容易的事。由于量子位元的量子态非常脆弱，打造量子电脑主要困难之一是保持量子态在超低温状态。“噪声”的最轻微震动或温度扰动变化，都可能导致粒子在工作正常完成之前就发生量子行为衰减，这称为“退相干”（Decoherence）现象。
因此量子电脑必须在极低温条件下工作，以尽力保护量子位元不受外界环境影响。其次，因量子位元的不稳定性，量子计算的精准度也有问题，传真度不高。
不少研究人员都认为，Google 的成果推动量子计算往前走了一大步，但大家都很清楚，量子计算的应用还是非常有限。
目前，古典电脑仍然是解决大多数问题最简单、最经济的方案。而量子电脑适用于材料科学、药物研究和密码学等领域，有公司已在试验应用于汽车业和制药业。此外，机器学习核心的最佳化过程与量子计算是天作之合，Google 花这么大力气研发量子电脑，也就不奇怪了。
（本文由 PingWest 授权转载；首图来源：Google）
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