关于量子概念，最近太平洋两岸都挺热火。
一边是源自我国民间的“量子波动速读”，一边是大洋彼岸谷歌打造出来的“量子计算机”。
“量子波动速读”这事儿，咱弄不明白，也不敢乱说。
不过，谷歌的“量子霸权”论文，却在昨天，以封面重磅在Nature正式发表了。
30多年来，物理学家一直在谈论量子计算的力量，但一直存在的问题是：它是否能做一些有用的事情，是否值得投资？
当谷歌声称实现“量子霸权”——打造出第一台能够超越当今最强大的超级计算机能力的量子计算机，事情变得明朗了起来。
该量子系统只用了200秒完成一个计算，而同样的计算用当今最强大的超级计算机Summit执行，需要约10000年。
谷歌的论文一开始在NASA网站上发布，但不久被悄悄删除。
10月24日，谷歌“量子霸权”论文终于以封面重磅的形式在Nature正式发表。
Nature同时还发表一篇观点文章，称这一成就是量子计算的重大里程碑事件。
这事儿可不小，光看引起的反响就知道。
这个突破经由CEO皮猜亲自官宣、论文登上Nature 150周年纪念特刊、各大主流媒体头版头条、热度全网第一，甚至连特朗普的大女儿伊万卡都忍不住第一时间发出贺电。
Quantum Supremacy，伊万卡口中的“量子霸权”，谷歌更倾向于翻译为量子优越性。
直白来说，量子优越性就是指在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。
谷歌CEO难掩激动地介绍，这就像飞机最初被发明的时刻——莱特兄弟的飞机第一次只飞了12分钟，但它证明了飞机飞行的可能性。
这是一个历史性时刻，谷歌也首次透露，已经为此埋头攻坚了13年。
根据《财富》杂志报道说，之前NASA之所以撤回论文，是因为研究成果还没有经过完整的同行评审。
如今只过了一个月，论文便登上了Nature，可信度大大提升，量子计算的新时代真正到来。
77 位作者合作的重磅论文《使用可编程超导处理器达到的量子霸权》(Quantum supremacy using a programmable superconducting processor)，为我们揭开了谷歌“量子霸权”实验的全貌。
谷歌在论文摘要中说：
“我们使用具有53个超导量子比特的可编程处理器，占用状态空间为253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。”
经典计算机中的比特只能处于0或者1两种状态，而薛定谔猫告诉我们，猫可以处于死和活两种状态的叠加，量子比特也一样，能同时处于0和1两种状态。
1个量子比特只能表示2个状态，2个量子比特就能表示4个状态，3个量子比特就能表示8个状态，以此类推。
由于量子力学中物体的状态正是在这种叠加状态空间中演化，再加上不同量子比特之间的耦合，就可以模拟出更多的状态。
因此只需53个量子比特就可以模拟10的16次方种状态，而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力。
说完了量子计算机的基本概念，下面我们看一下谷歌量子计算机的硬件。
谷歌把这个实现量子优越性的量子处理器叫做Sycamore。它由54个transmon量子比特的二维阵列组成，每个比特与周围的4个比特相耦合。
该芯片具有足够的连接性，使得量子比特状态可以在整个处理器中快速交互，从而使整个状态无法在传统计算机上有效地模拟。
该处理器使用铝制造，实现了低温超导中的约瑟夫森结，并使用铟制造两个硅晶片之间的凸点。芯片被引线连接到到超导电路板上，并在稀释制冷装置中被冷却至20mK以下。
这一温度只比绝对零度高百分之二度，之所以要如此冷，是为了将环境热能降低到大大低于量子势能，防止外界热量对量子处理器的干扰。
处理器通过滤波器和衰减器连接到室温电子设备，后者可合成控制信号。所有量子位的状态可以通过同时利用频率复用的技术来读取。
为了完全控制这个量子处理器，谷歌还精心设计了277个数模转换器。
那么谷歌，用量子力学原理，和这样一个超级复杂的量子硬件解决了什么问题呢？
恰恰是一个经典计算所不善于解决的量子电路采样问题，在这个问题上，经典计算机的运算能力显得捉襟见肘了。
量子计算机上每次运行随机量子电路都会产生一个位串，例如0000101。由于量子干涉，就像激光在通过狭缝后形成的散斑一样，进行重复多次实验时（采样），某些位串比其他位串更容易出现。
然而，随着量子比特的数量n（宽度）和门循环数量m（深度）的增加，用经典计算机为随机量子电路找到最可能的位串变得越来越困难。
在实验中，谷歌首先运行12到53量子比特的随机简化电路，保持电路深度恒定。
验证系统正常运行后，谷歌运行了53量子比特且深度不断增加的随机硬电路，当深度m增加到20时，经典仿真变得完全不可用。
在量子处理器上获得一百万个样本需要200秒，而在一百万个内核上进行相等保真度经典采样将花费1万年，而对保真度的验证将花费数百万年。
谷歌在论文中只是展示了量子计算机的一种应用，未来可以用它来解决包括量子物理学和量子化学模拟在内的问题。
量子计算的突破，还能促成机器学习的新应用，加速解决世界正在面临的一些最紧迫而复杂的问题。比如气候变化的模拟，比如探究哪一些分子能够制造更有效的药物。
不过，就在谷歌的Nature论文发表的前一天，IBM研究人员发文称，谷歌并未充分利用超级计算机的存储潜力。谷歌选择了一个他们认为在经典机器上很难解决的问题，但现在IBM已证明这个问题没有谷歌想象的那么难，因此IBM表示谷歌实际上并没有表现出量子霸权，而且竞争仍在继续。
