谷歌近日宣布其在量子計算領(lǐng)域取得重大突破，其設計的量子計算機可在短短幾秒鐘內，完成世界上最先進(jìn)超級計算機需要47年才能完成的計算量。這可能標志著(zhù)，量子計算技術(shù)迎來(lái)了里程碑時(shí)刻。

量子計算是一門(mén)利用量子物理學(xué)奇異之處的科學(xué)，它仍然是一個(gè)快速發(fā)展且存在爭議的領(lǐng)域。量子計算機在氣候科學(xué)和藥物發(fā)現等領(lǐng)域擁有巨大潛力，它們提供的計算速度遠遠超過(guò)傳統的同類(lèi)產(chǎn)品。

01 潛在缺點(diǎn)

然而，這種先進(jìn)技術(shù)并非沒(méi)有潛在的缺點(diǎn)。量子計算機對當代加密系統構成了重大挑戰，因此其也被視為最重要的國家安全問(wèn)題之一。

爭議性的討論仍在繼續。批評者認為，盡管取得了令人印象深刻的里程碑，但這些量子機器仍然需要在學(xué)術(shù)研究之外展示更多的實(shí)用性。

02 量子計算機算力驚人

四年前，谷歌聲稱(chēng)自己是第一家實(shí)現“量子霸權”的公司，這是量子計算機超越傳統計算機的一個(gè)里程碑。這在當時(shí)受到了競爭對手的質(zhì)疑，他們認為谷歌夸大了其機器與傳統超級計算機之間的區別。

谷歌最新的量子計算機名為Sycamore量子處理器，目前擁有70個(gè)量子比特。與早期版本的53個(gè)量子比特相比，這是一個(gè)巨大的飛躍。增加更多的量子比特可以成倍地提高量子計算機的性能，這使得新處理器的健壯性大約是以前機型的2.41億倍。

由于每個(gè)量子比特可以同時(shí)以0、1或兩者的狀態(tài)存在，因此其存儲和處理這種量子信息水平的能力，即使是最快的超級計算機也無(wú)法匹敵。

谷歌團隊在arXiv平臺上發(fā)布的預印本論文中表示：“量子計算機有望執行超出傳統計算機能力的任務(wù)。我們根據改進(jìn)的傳統方法估計了計算成本，并證明我們的實(shí)驗超出了現有傳統超級計算機的能力?！?/p>

即使是目前最快的傳統計算機，如田納西州的超級計算機Frontier，也無(wú)法與量子計算機的潛力相媲美。這些傳統超級計算機在二進(jìn)制代碼語(yǔ)言上運行，被限制在0和1的雙狀態(tài)現實(shí)中。然而，量子范式超越了這一限制。

03 變革性力量

目前還不確定谷歌量子計算機的制造成本是多少。但無(wú)論如何，這一發(fā)展肯定會(huì )給計算能力帶來(lái)巨大變化。

例如，根據谷歌團隊的說(shuō)法，Frontier超級計算機只需6.18秒就能完成谷歌53量子比特計算機的計算。然而，同樣的機器需要47.2年才能完成谷歌最新70量子比特機器執行的計算。

04 量子霸權

量子計算領(lǐng)域的許多專(zhuān)家都贊揚了谷歌取得的重大進(jìn)步?？偛课挥趧虻牧孔庸綬iverlane的首席執行官史蒂夫·布里爾利(Steve Brierley)稱(chēng)，谷歌的突破是一個(gè)“重大里程碑”。

他還補充說(shuō)：“關(guān)于我們是否已經(jīng)達到或確實(shí)能夠達到量子霸權的爭論，現在已經(jīng)解決了?！?/p>

同樣，蘇塞克斯量子技術(shù)中心主任溫弗里德·亨辛格教授（Winfried Hensinger）也稱(chēng)贊說(shuō)，谷歌解決了一個(gè)難以在傳統計算機上計算的特定學(xué)術(shù)問(wèn)題。

亨辛格教授說(shuō)：“他們最近的演示再次有力地證明了，量子計算機正在以穩定的速度發(fā)展?！钡麖娬{，即將到來(lái)的關(guān)鍵一步將是創(chuàng )造能夠糾正其固有操作錯誤的量子計算機。

雖然IBM尚未對谷歌最近的突破發(fā)表評論，但很明顯，量子計算領(lǐng)域的這一進(jìn)展已經(jīng)引起了全球研究人員和公司的注意。這將為計算技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟新的前景和競爭。

05 量子計算基礎

量子計算是技術(shù)進(jìn)步的一次顯著(zhù)飛躍，它有可能重新定義我們的計算能力。利用量子物理奇怪而迷人的定律，它可以在解決某些類(lèi)型的問(wèn)題上明顯優(yōu)于傳統計算機。

傳統計算機基于比特運行，比特可以是0或1的狀態(tài)。另一方面，量子計算機在量子比特上運行，稱(chēng)為量子比特。與傳統比特不同，量子比特可以同時(shí)以?xún)煞N狀態(tài)存在，這要歸功于一種被稱(chēng)為疊加的量子原理。

疊加使量子計算機的計算能力呈指數級增長(cháng)。例如，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于四種狀態(tài)(00、01、10、11)，三個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于八種狀態(tài)，以此類(lèi)推。這使得量子計算機可以同時(shí)處理大量的可能性。

量子計算機利用的另一個(gè)關(guān)鍵量子原理是糾纏。糾纏的量子比特緊密相連，改變一個(gè)量子比特的狀態(tài)，與它糾纏的伙伴的狀態(tài)也會(huì )瞬間改變，不管距離有多遠。這一特性使量子計算機能夠更有效地處理復雜的計算。

06 量子計算機的應用

量子計算的獨特特性使其成為解決傳統計算機難以解決的復雜問(wèn)題的理想選擇。

密碼學(xué)是量子計算可以產(chǎn)生重大影響的一個(gè)值得注意的領(lǐng)域?？焖俜纸獯髷档哪芰κ沽孔佑嬎銠C對當前的加密系統構成威脅，但也為開(kāi)發(fā)更安全的量子加密方法打開(kāi)了大門(mén)。

在醫學(xué)領(lǐng)域，量子計算可以實(shí)現復雜分子結構的建模，加速藥物的發(fā)現。量子模擬可以提供對新材料和新工藝的見(jiàn)解，此前這些新材料和工藝可能需要數年時(shí)間才能通過(guò)實(shí)驗發(fā)現。

07 量子計算面臨的挑戰

盡管潛力巨大，但量子計算并非沒(méi)有挑戰。量子態(tài)非常微妙，在一段時(shí)間內保持這種狀態(tài)是一個(gè)重大挑戰，也就是量子相干性。最輕微的環(huán)境干擾都會(huì )導致量子比特失去狀態(tài)，這種現象被稱(chēng)為退相干。

量子糾錯是另一個(gè)艱巨的挑戰。由于量子比特的脆弱性，量子計算比傳統計算更容易出現錯誤。開(kāi)發(fā)既不需要大量量子比特、又具備有效糾錯方法的量子計算機，仍然是量子計算研究的焦點(diǎn)。

總部位于布萊頓的初創(chuàng )企業(yè)通用量子(Universal Quantum)的首席執行官塞巴斯蒂安·威特(Sebastian Weidt)表示，量子計算機需要展示更多實(shí)用功能。

他說(shuō)：“這是量子霸權的一個(gè)很好的證明。雖然在學(xué)術(shù)上是一個(gè)偉大的成就，但所使用的算法并沒(méi)有真正在現實(shí)世界中得到實(shí)際應用。我們真的必須進(jìn)入實(shí)用量子計算時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，擁有數千個(gè)量子比特的量子計算機實(shí)際上開(kāi)始以傳統計算機永遠無(wú)法實(shí)現的方式為社會(huì )提供價(jià)值?！?/p>

08 量子計算的未來(lái)

雖然量子計算仍處于起步階段，但創(chuàng )新的快速步伐預示著(zhù)一個(gè)充滿(mǎn)希望的未來(lái)。IBM、谷歌和微軟等科技巨頭以及眾多初創(chuàng )公司都在量子計算研究方面取得了重大進(jìn)展。

在未來(lái)幾年，我們可以預期量子計算機在功率和可靠性方面繼續得到改進(jìn)。量子霸權（量子計算機在計算能力上超越傳統計算機）可能比我們想象的更容易實(shí)現。

量子計算代表了一個(gè)激動(dòng)人心的前沿領(lǐng)域，有望幫助我們重塑解決復雜問(wèn)題的方式。隨著(zhù)研究和開(kāi)發(fā)的持續進(jìn)行，我們離釋放這項變革型技術(shù)的全部潛力越來(lái)越近。