- 这里显示的是量子计算机（稀释冰箱）的一个组件，如图所示，这是2016年一张照片中的一个洁净室。如果量子计算机能够比经典计算机更快、更有效地完成任何计算，那么它们将获得量子优势。然而，这一成就本身并不能让我们实现我们所有的梦想，即量子计算能给人类带来什么。
本月早些时候，一个新的故事泄露了出来：投资量子计算领域的领先公司之一谷歌（google）声称刚刚取得量子优势。虽然我们的经典计算机（如笔记本电脑、智能手机甚至现代超级计算机）功能异常强大，但有许多科学问题的复杂性远远超出了它们的计算或模拟能力。
但是，如果我们能建立一台足够强大的量子计算机，许多用经典计算机无法解决的问题很可能会用量子计算机迎刃而解。这种认为量子计算机可以有效地解决经典计算机只能低效解决的计算领先优势，被称为“量子至上”。谷歌真的做到了吗？让我们深入探讨这个问题并找出答案。
- 目前固态存储设备的工作方式是在基板/栅极上存在或不存在带电粒子，这抑制或允许电流流动，从而编码0或1。原则上，我们可以通过拥有一个量子比特（而不是带有永久电荷的栅极）从一个比特移动到另一个量子比特，该量子比特在测量时编码为0或1，但可以存在于态的叠加中。
经典计算机的概念很简单，可以追溯到阿兰图灵和图灵机器的概念。使用编码成位（即0和1）的信息，您可以对这些位应用一系列操作（如“与”、“或”、“否”等），以执行任何您喜欢的任意计算。其中一些计算可能很容易，另一些可能很难，这取决于问题。但是，在理论上，如果你能设计一个算法来成功地执行一个计算，不管它的计算成本有多高，你都可以把它编程成一个经典的计算机。
然而，量子计算机有点不同。量子计算机使用量子比特或比特的量子模拟，而不是通常为0或1的常规比特。和大多数事情一样，从经典世界进入量子世界意味着我们需要改变对这个特殊物理系统的看法。
- 这种离子阱的设计主要基于沃尔夫冈·保罗的工作，是量子计算机中使用离子阱的早期例子之一。这张2005年的照片来自奥地利因斯布鲁克的一个实验室，展示了一台已经过时的量子计算机的一个组件的设置。离子阱计算机的计算时间比超导量子比特计算机慢得多，但它们需要补偿的相干时间尺度要长得多。
量子位元不是永久地将0或1记录为位元，而是一个两态量子力学系统，其中基态代表0，激发态代表1。（例如，一个电子可以上旋或下旋；一个光子可以在其偏振态中左旋或右旋，等等）当你最初准备系统时，以及当你读出最终结果时，你只会看到0和1的量子比特值，就像经典计算机和经典比特一样。
但与经典计算机不同的是，当你实际执行这些计算操作时，量子位不是处于确定状态，而是处于0和1的叠加状态：类似于同时部分死亡和部分存活的薛定谔猫。只有当计算结束并读出最终结果时，才能测量真正的结束状态。
- 在传统的薛定谔猫实验中，你不知道量子衰变的结果是否已经发生，从而导致猫的死亡。在盒子里，猫要么活要么死，这取决于放射性粒子是否衰变。如果猫是一个真正的量子系统，猫既不是活的也不是死的，而是两种状态的叠加，直到被观察到为止。
经典计算机和量子计算机有很大的区别：预测，决定论和概率论。与所有量子力学系统一样，你不能简单地提供系统的初始条件和对其起作用的算符的算法，然后预测最终状态是什么。相反，你只能预测最终状态的概率分布，然后通过一次又一次地执行关键实验，你就能希望匹配并产生预期的分布。
你可能认为你需要一台量子计算机来模拟量子行为，但这不一定是真的。你可以在量子计算机上模拟量子行为，但你也应该能够在图灵机器上模拟它：即经典计算机。
- 具有足够计算能力的计算机程序可以使用在传统（非量子）计算机上运行的无缺陷算法，对候选的mersenne素数进行强力分析，看看它是否对应于一个完美数。对于小的数，这可以很容易地完成；对于大的数，这项任务非常困难，并且需要更多的计算能力。
这是所有计算机科学中最重要的思想之一：教堂图灵论文。它指出，如果一个问题可以用图灵机器来解决，它也可以用计算设备来解决。这个计算设备可以是笔记本电脑、智能手机、超级计算机，甚至是量子计算机；一个这样的设备可以解决的问题应该在所有这些设备上都可以解决。这是普遍接受的，但它并没有告诉你计算的速度或效率，也没有告诉你量子霸权的一般情况。
相反，还有一个更具争议的步骤：扩展的教堂图灵理论。它指出图灵机器（如经典计算机）总是可以有效地模拟任何计算模型，甚至可以模拟固有的量子计算。如果你能提供一个反例来说明这一点——如果你能证明哪怕是一个量子计算机比经典计算机效率更高的例子——那就意味着量子优势已经被证明了。
- IBM的四位方形电路是计算领域的一个先驱性进展，有一天它可能会导致量子计算机强大到足以模拟整个宇宙。但量子计算领域仍处于起步阶段，在任何情况下，展示量子优势都将是一个了不起的里程碑。
这是许多独立工作的团队的目标：设计一台量子计算机，在至少一个可复制的条件下，它能以显著的优势超过经典计算机。理解这一点的关键在于：在经典计算机中，可以对任何位（或位的组合）的信息进行一些经典操作。这包括您熟悉的操作，如“与”、“或”、“否”等。
但是如果你有一台量子计算机，用量子位元代替位元，除了经典的量子运算外，你还可以进行许多纯量子运算。这些量子操作遵循可以在经典计算机上模拟的特殊规则，但只需付出巨大的计算代价。另一方面，量子计算机可以很容易地模拟它们，条件是：与量子位的相干时间相比，执行所有计算操作所需的时间足够短。
- 在量子计算机中，处于激发态（1态）的量子比特将在称为相干时间的时间尺度上衰减回基态（0态）。如果你的一个量子位在你所有的计算完成之前衰变，你读出你的答案，那将产生一个错误。
考虑到所有这些，谷歌团队有一篇论文被简短地发布到了美国宇航局的网站上（很可能是最终论文的初稿），后来被删除，但在许多科学家有机会阅读和下载之前。虽然他们的成就所带来的影响还没有完全理清，但你可以想象他们做了什么。
假设您有5位或量子信息：0或1。它们都是从0状态开始的，但是你要准备一个状态，其中两个位/量子位兴奋地处于“1”状态。如果位或量子位完全受控，则可以显式地准备该状态。例如，您可以激发位/量子位数字1和3，在这种情况下，系统的物理状态将是10100>。然后，您可以“脉冲输入”随机操作来对这些位/量子位进行操作，并且您希望得到的是结果的特定概率分布。
- 一种9位量子电路微缩图。灰色区域是铝，黑色区域是铝被蚀刻掉的地方，并且添加了颜色来区分各种电路元件。对于这样一台使用超导量子位的计算机，该设备必须保持在毫开尔文温度下的过冷，才能作为真正的量子计算机工作，并且只能在明显低于约50微秒的时间尺度上正常工作。
谷歌团队为他们的实验选择了一个特定的协议，试图实现量子优势，要求在应用任意数量的操作后，必须保留激发比特/量子比特的总数（或1s的数目）。这些操作是完全随机的，这意味着哪些位/量子位被激发（1）或处于基态（0）是自由变化的；五个量子位示例需要两个“1”状态和三个“0”状态。如果你没有真正的随机操作，如果你没有在你的计算机中编码的纯量子操作，你会期望所有10个可能的最终状态以相同的概率出现。
（这十种可能性是11000>，10100>，10010>，10001>，01100>，01010>，01001>，00110>，00101>，和00011>）
但是如果你有一个量子计算机，它的行为就像一个真正的量子计算机，你不会得到一个平面分布。相反，某些状态在最终状态结果中出现的频率应该比其他状态更高，而其他状态应该非常罕见。这是现实的一个反直觉的方面，它只产生于量子现象和纯粹量子门的存在。我们可以用经典的方法来模拟这种现象，但需付出很大的计算代价。
- 当你在一个以10100>开头的量子比特态上进行实验，并将其通过10个耦合器脉冲（即量子运算）时，你不会得到10个可能结果中每一个的概率相等的平坦分布。相反，有些结果的概率会异常高，有些则非常低。测量量子计算机的结果可以决定你是在维持预期的量子行为还是在实验中失去它。
如果我们只应用允许的经典门，即使使用量子计算机，我们也不会得到量子效应。然而，我们可以清楚地看到，我们得到的概率分布并不是平坦的，但是一些可能的终态比你天真地期望的10%更可能，而有些则不太可能。这些超低概率和超高概率态的存在是一个纯粹的量子现象，你得到这些低概率和高概率结果（而不是平面分布）的几率是量子行为的一个重要特征。
在量子计算领域，获得至少一个最终状态的几率，显示出非常低的出现概率，应该遵循一个特定的概率分布：波特-托马斯分布。如果你的量子计算机是完美的，你可以做任何你想做的操作，只要你想，然后宣读结果，看看你的计算机是否遵循波特托马斯分布，如预期。
- 波特-托马斯分布，这里显示的是5、6、7、8和9个量子比特，根据量子比特的数量和可能的状态，绘制了概率分布中实现某些结果的概率。注意直线，它表示预期的量子结果。如果运行量子电路所需的总时间太长，你会得到一个经典的结果：以短绿线为例，它绝对不遵循波特-托马斯分布。
实际上，量子计算机并不完美。任何量子系统，不管它是如何制造的（谷歌团队使用超导量子比特，但其他量子计算机，例如使用量子点或离子阱，也是可能的），都会有一个相干时间：在激发态下制备量子比特所需的时间（即，1）保持这种状态。超过这个时间，它应该会衰减回基态，或者0。
这一点很重要，因为将量子算符应用于系统需要有限的时间：即门时间。与相干时间尺度相比，门时间必须非常短，否则你的状态可能会衰退，你的最终状态不会给你期望的结果。而且，你拥有的量子位越多，你的设备就越复杂，在量子位之间引入串扰的错误概率就越高。为了有一个无错误的量子计算机，你必须在系统解相干之前，将你所有的量子门应用到全套的量子比特上。
超导量子位元仅在约50微秒内保持稳定。即使门时间约为20纳秒，你最多也只能进行几十次计算，直到退相干破坏你的实验，给你可怕的平面分布，彻底失去我们所追求的量子行为。
这种理想化的5个量子位元设置，其中初始电路在初始状态下由量子位元1和3准备，在产生最终状态结果之前受到10个独立脉冲（或量子门）的影响。如果通过量子门的总时间比系统的相干/退相干时间短得多，我们就可以期望得到期望的量子计算结果。如果没有，我们就不能在当前的量子计算机上进行计算。
谷歌科学家用他们的53位电脑解决的问题在任何方面都没有什么用处。事实上，这个装置是专门为量子计算机设计的，对于经典的计算机来说，计算起来非常昂贵。他们处理这个问题的方法是建立一个由n个量子位组成的系统，这个系统需要经典计算机上2n位的内存来模拟，并选择对经典计算机来说计算成本尽可能高的操作。
最初的算法是由科学家合作提出的，包括目前谷歌团队中的许多人，需要一台72位的量子计算机来证明量子优势。由于研究小组目前还无法实现这一目标，他们回到了53位计算机，但用另一个量子门取代了一个易于模拟的量子门（cz）：fsim门（它是cz和iswap门的组合），对于一个经典计算机来说，模拟它的计算成本更高。
不同类型的量子门根据所选的门的类型表现出不同的置信度（或无差错门的百分比），并且也表现出经典计算机的各种计算开销。一个更古老的量子霸权尝试使用cz门，需要72个量子比特；使用更多类似于iswap的门，谷歌团队只需53个量子比特就可以实现“量子至上”。
对于那些想保留扩展的church-turing理论的人来说，希望渺茫：也许有足够聪明的计算算法，我们可以在经典计算机上降低这个问题的计算时间。这似乎不太可能是合理的，但这是一个愿景，可以取消所谓的“量子至上”的第一个成就。
不过，就目前而言，谷歌团队似乎首次实现了量子优势：通过解决这一特殊的（而且可能没有实际用处）数学问题。他们用量子计算机完成这项计算任务的时间比国内最大、最强大（经典）的超级计算机都要快得多。但实现有用的量子优势将使我们能够：
- 进行高性能的量子化学和量子物理计算，
- 用高级量子计算机取代所有经典计算机，
- 对任意大的数运行舒尔（shor）算法。
“量子至上”可能已经到来；有用的“量子至上”还远未实现。例如，如果你想将一个20位半素数作为因子，谷歌的量子计算机根本无法解决这个问题。不过，你现成的笔记本电脑可以在几毫秒内完成这项工作。
- sycamore处理器是一个由54个量子比特组成的矩形阵列，通过耦合器连接到最近的四个neighbro，它包含一个不可操作的量子比特，从而产生了一个有效的53个量子比特的量子计算机。这里所示的光学图像展示了从光学角度所看到的sycamore芯片的比例和颜色。
量子计算领域的进展令人震惊，量子比特数量更多的系统无疑即将出现。当成功的量子纠错到达时（这肯定需要更多的量子位以及解决和解决许多其他问题的必要性），我们将能够扩展相干时间尺度并执行更深入的计算。正如谷歌团队自己指出：
“我们的实验表明，现在可能有一个违背[扩展的教堂图灵理论]的计算模型。我们已经用物理实现的量子处理器（具有足够低的错误率）在多项式时间内执行了随机量子电路采样，但是对于经典的计算机器，还没有已知的有效方法。”
随着第一台可编程量子计算机的诞生，它能够有效地对无法在经典计算机上有效执行的量子比特进行计算，“量子至上”正式到来。今年晚些时候，谷歌团队肯定会公布这一结果，并为他们的非凡成就而受到赞扬。但是，我们最大的量子计算梦想还很遥远。如果我们想到达那里，那就比以往任何时候都更重要的是，继续尽可能快和远地向尖端推进。
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