200秒完成经典计算机1万年的任务量！《自然》论文演示“量子霸权”，展现量子计算惊人算力

一台可编程量子计算机只用了约200秒就完成了经典计算机大约需要1万年才能完成的任务！

这可能吗？

今日，《自然》期刊发表的一篇论文演示了这一量子霸权，并称这一成就为量子计算的重大里程碑事件。

量子计算的一个目标是以指数级倍数超过传统经典计算机的速度执行特定计算任务。实现这一目标需要克服许多挑战，比如在产生较大计算空间的同时保证计算错误率低，以及设计一种经典计算机难以处理，但量子计算机可以轻松完成的基准测试。

论文通讯作者John Martinis和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。他们研制了一台由54个量子比特组成的处理器，该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比，实现了指数级的增加。由于有1个量子比特无法有效工作，处理器实际只用了53个量子比特。

研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度 （高达99.99%）。为了测试该系统，团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。对于经典计算机来说，这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后，量子处理器在200秒左右的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而一台尖端超级计算机大约需要1万年的时间才能完成这一任务。

评论员William Oliver在同时发表的“新闻与观点”文章中写道，“对世界领先的超级计算机……实现量子霸权无疑是一项了不起的成就”。但他也指出，在量子计算机投入实际应用前还需开展更多工作，比如实现可持续的容错运算。

那么，量子霸权究竟是什么呢？

首先，简单说一下传统计算机是如何进行计算的。传统计算机通过高电平和低电平来表示0和1，通过逻辑门实现逻辑运算。常见的逻辑门包括：“与”门、“或”门、“非”门、“异或”门等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。以此为基础，计算机可以实现各种数学计算。

传统计算机的发展遵循着摩尔定律，即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番，计算能力增强一倍，是一种指数增长的规律。但是近年来，随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至失效。

传统计算机中，一个比特只能是0或者1，但是在量子世界里，量子比特可同时处于多种态，它可以是几种不同量子态当中的任意几种归一化线性组合，这种状态就是量子叠加态，它可以同时等于0和1，只有在被观察的时候才会坍缩成两种状态中的一种。举个简单的例子，如果量子计算机有3个量子比特，那么就可以说它同时工作在8种状态中；如果量子计算机有4个量子比特，那么就是同时工作在16种状态中。所以，每增加一个量子比特，量子计算机的计算能力都是呈指数增长的。现在的超级计算机计算能力，大致相当于50个量子比特的量子计算机计算能力。

那么，什么是量子霸权呢？量子霸权即量子优势，是指量子计算拥有超越所有经典计算机的计算能力。

量子计算机最强大的就是它的并行计算能力，比如在对海量数据库进行检索时，传统计算机需要经过所有可能的匹配才能得到结果，而量子计算机可以节省几个数量级的工作时间。特别在计算机安全领域，量子计算机有着非凡的意义和重要的应用，目前最普遍的加密系统，是公私钥加密数据，是获得了公钥之后通过数学方法来计算私钥，如果别人不知道私钥，那么破解密码可能就需要数年的时间。但是，量子计算机惊人的计算能力，可以在很短的时间内破解密码。

文章链接：https://nature.com/articles/s41586-019-1666-5

编辑：金婉霞
责任编辑：任荃

来源：综合自Nature、科普中国