大科技杂志社■“量子霸权”指的是什么？美国宣布

美国宣布实现“量子霸权”
2019年10月23日，谷歌的重磅工作“利用可编程超导处理器实现量子霸权”被正式刊文介绍。该文表示谷歌开发出的一款54量子比特的超导量子芯片“Sycamore”对随机量子线路采样100万次只需200秒，而目前最强的传统超级计算机Summit要得到类似的结果需要长达1万年。
不过IBM表示， summit的缺点是内存不足，但运算能力并没有谷歌说的那么不堪——通过使用内存和硬盘混合存储的方案， Summit可以在60个小时的时间内完成Sycamore的100万次采样，而不是1万年，谷歌低估了Summit的计算能力！但60小时毕竟也是200秒的1080倍，这个结果无疑已经证明了Sycamore的能力，这也是量子计算首次战胜传统计算！

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谷歌量子计算机Sycamore
一石激起千层浪。该消息像核弹爆炸一样迅速席卷全球，物理学界的科学家们议论纷纷。谷歌公司骄傲地宣布：谷歌已实现“量子霸权”！
“量子霸权”指的是什么呢？一般认为，如果量子计算机在“某些特定问题”上（例如上文提到的随机量子线路采样）的计算能力超过了传统计算机，那么就被认为实现了“量子霸权” 。专家估计，如果量子计算机能操控超过49个量子比特，其在某个特定问题上的计算速度就有可能超过包含超级计算机在内的任何传统计算机。
“某些特定问题”指的是经过精心设计，非常适合于量子计算设备发挥其计算潜力的问题。目前，这些问题只是为数甚少的无任何实际意义的特殊问题。所以当我们惊呼量子计算机飞速发展的同时，我们也应该明白，现在量子计算还无法解决任何一个有应用价值的问题。只是其巨大的应用潜力，使得各个国家都不敢懈怠。
量子比特可以既为1又为0
如果让你在一只苍蝇、一只鱼、一只鹰还是一个孙悟空中选择，你会选哪一个？你肯定选孙悟空！孙悟空可以变成其他三种动物，一个就可以顶仨还不占地方。其实相对于传统计算机而言，量子计算机就真的可以算得上是百变的孙悟空！为什么这么说呢？这得从“比特”二字谈起了。
什么是比特呢？比特是二进制数字中的位，例如二进制数字“010” ，它的位数就是3比特。二进制数字的每一位只能为“0”或者为“1” ，这恰好与电子计算机的电路结构相吻合——由二极管和三极管组成电子元器件在面对不同的电流时，只能存在两种状态——导通或者不导通。导通意味着电流能流过，执行该命令，这种状态我们用“1”来表示；不导通意味着电流不能流过，不执行该命令，用“0表示” 。所以电子计算机是二进制的。

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那么，什么是命令呢？比如我们现在进行一则加法运算，假设“加1”是某个步骤的一个命令。当计算机运行到该步骤时处于“1”状态，它就会执行“加1”这个命令，处于“0”状态，不执行这个命令。计算机运行一串复杂的指令，其步骤就是按顺序运行一个个“1”和“0”的小命令。每一串指令的运行步骤都是明确且固定的，计算机一次也只能运行一串指令。
量子计算机的特殊之处在于，它不是由二极管或者是三极管组成，而是由具有处于量子态的粒子（如光子、电子或者原子）组成。命令是否执行的方式也不再是电路导通和不导通，而是选取了粒子的某个两态体系——例如光子的两个正交的偏振方向、磁场中电子的上下自旋方向、核自旋的两个方向、原子中量子处在的两个不同的能级等，规定当粒子处于其中一个状态时，命令执行，这个状态也就是“1” 。而当粒子处于另一个状态时，命令不执行，这个状态也就是“0” 。量子计算机神奇之处就在于此，电路导通和不导通是确定的，然而粒子的量子态却不是确定的！