​现在任何时候，量子计算机都会解决一个经典计算机无法解决的难题。至少，这是我们一直希望的。科学家和公司正在朝着这个被称为量子至上的计算里程碑而努力，而这个里程碑似乎就在我们的能力范围之外。

简而言之，控制粒子的量子特性是困难的。即使我们可以用它们来计算，“量子至上”也是一个误导人的术语。第一个量子霸权的论证几乎肯定是一个人为的问题，不会有实际或消费者使用。尽管如此，当涉及到对这些设备进行基准测试并确定它们实际可以做什么的时候，这是一个至关重要的里程碑。那么是什么阻碍了我们走向未来呢？

加州理工学院理论物理学教授约翰·普莱斯基尔发明了“量子至上”一词。“我们正处于关键阶段。”

您可能首先想知道什么是量子计算机，或者从根本上说，什么是计算机。计算机是抽象数据并将其存储为输入的设备，它们通过指令系统和数学算法进行操作。通常，数据存储为可操作的位，两种选择的物理设备，允许这些位的系统产生一些所需的输出。在量子计算机上，算法被映射到一种不同的体系结构上；除了比特，还有两种被称为量子位的设备，它们遵循量子力学的奇怪规则。

每一个量子位有点像双面骰子，你可以用一块铁片装上它来调整你在任何一边滚动的概率。执行量子计算就像掷骰子。但你可以纠缠量子位元，这就像磁化铁片，所以骰子必须被视为一个具有自己的一组概率的单面骰子。这可能会导致干扰——使骰子的某些面更有可能滚动，而其他面不太可能滚动。量子计算将门应用到这些骰子能量脉冲上，这些能量脉冲将进一步影响骰子内部重量的位置，并改变你将掷出的骰子。应用程序涉及到将一些信息映射到每一边，并且通常需要许多骰子才能得到有趣的结果。

科学家和科技公司追求量子计算机，既是出于他们作为推动极限的实验的天生科学兴趣，也是出于它们可能对人工智能、网络安全和医疗保健产生影响的方式。据推测，在量子结构上运行的一些算法会比在经典计算机上运行的更快，最著名的是肖尔算法，它可以比经典计算机更快地分解出非常大的数字。一种能够快速分解数字的算法非常重要，因为我们现代的大多数加密算法都是基于这样一个前提：经典计算机可以轻松地将两个数字相乘，但分解它们却需要相当长的时间。一台能够运行Shor算法的计算机将使这种加密策略变得不安全。其他人则希望量子计算机能在人工智能(如量子神经网络)中找到应用，或帮助解决化学问题(如寻找治疗疾病的新药)，比传统计算机效率高得多。

​但是一台值得兴奋或担忧的量子计算机应该比普通计算机做同样的工作要好。这就是为什么科学家和公司，尤其是谷歌，把量子优势列为他们的设备的一个关键里程碑。

量子霸权的提议通常遵循相同的前提。建立复杂、随机的量子电路并测量值。你会得到很多答案。现在，使用统计测试来确保使用这些输出的答案正确地完成了实验。理论物理学家认为，量子计算机将在这样的任务上显示出优势——基本上，随着问题复杂性的增加，经典计算机计算问题所需的时间将以高于量子计算机的速度增加。

从商业的角度来看，这项任务似乎是人为的。量子优势表明量子计算机比经典计算机更擅长成为量子计算机。那不是你可以用来治疗疾病的东西。

但是从理论的角度来看，这是深刻的。有一种假设叫做丘奇-图灵理论，它认为任何计算机问题都可以用数学家艾伦·图灵在1936年发明的一种抽象计算机来解决。这台理论计算机把所有的计算问题简化成磁带上的符号。然后，还有一个扩展的教会图灵理论——没有一个实际的计算模型能比这些图灵机器更快地完成任务。理论计算机科学家给出了强有力的证据，证明扩展的Church-Turing理论在20世纪90年代早期是错误的。而一台取得量子优势的机器将在实验上证明这一观点是错误的。它将证明，确实存在一些计算机问题，超级计算机并不是计算这些问题的最有效方法，而基于另一种体系结构的计算机，即量子计算机，则可以解决这些问题。

量子至上，从科学的角度来看，是为了给科学家提供一个具体的方法来确定量子计算机将会和不会有用，并将它们与经典计算机进行比较。直到20世纪90年代初，理论计算机科学家们还在为量子计算机设计一些人为的问题，后来出现了肖尔算法等有用的任务。费弗曼说：“不要说‘你们花了数十亿美元来解决这个人为的问题’，答案是，我们必须先打好基础。”

它本身也不是无用的，因为这个实验可以使量子计算机成为有用的随机数生成器，可以在密码学、赌博、模拟和其他领域找到应用。

​但是你是如何达到这个里程碑的呢？据《麻省理工学院技术评论》去年报道，谷歌已经得到了美国宇航局的帮助，希望成为第一个。这个团队正在建造和测试一个芯片，他们希望这个芯片能有足够好的量子位元来证明量子至上。有研究人员在经典计算机上研究同样的量子优势问题进行比较，并致力于计算理论，以确保获得了优势的严格证明。

研究人员将需要以某种方式验证量子计算机计算的结果，即使他们只是执行了非量子计算机无法完成的计算。

有了NASA、谷歌、IBM和其他组织在这个问题上的大量资源和想法，您可能想知道为什么花了这么长时间。目前，最大的商用量子设备大约有20个量子位元，尽管IBM、谷歌和IonQ分别测试了50-、72-甚至160-量子位元设备。但是建造和操作量子计算机的每一步都是困难的。除了微芯片上的硅晶体管，科学家们必须用激光来制造他们的设备，这些激光可以捕获单个原子，超导材料可以在没有电阻的情况下传导电流，从而显示出可操纵的量子特性，或者其他潜在的结构。这通常需要将处理器保持在接近绝对零度的温度下——在这个温度下，粒子具有最小可能的热量。控制这个系统被证明是非常困难的，因为来自外部环境的少量能量可以导致量子位元坍缩成非常昂贵、非常规则的位元。

在这些有限的系统中，研究人员只能在量子态崩溃之前执行少量的量子操作，即“门”。纠缠太多的量子位元会使系统崩溃。每增加一个量子位元，机器的复杂度就会增加一倍。控制系统的电磁脉冲必须经过完美的设计。

与此同时，量子计算机科学家并不只是试图打败模拟量子计算机的经典计算机。他们试图击败任何可能的解决方案，有人编程的经典计算机可以想出，这是更难证明。研究人员将需要以某种方式验证量子计算机计算的结果，即使他们只是完成了非量子计算机无法完成的计算。

博尔德科罗拉多大学助理教授格雷姆史密斯告诉Gizmodo:“我敢打赌，很快就会有人宣布(量子霸权)，但由于难以证实这一事实，人们将会质疑他们是否实现了这一目标。”

​也许你注意到了其中的规律。目前还没有人能达到量子至高无上的地位，因为这很难。

IBM的科学家们正在从事一项可能更容易实现的任务。他们试图证明“量子优势”。“区别很微妙。量子优势是指量子计算机可以进行经典计算机在合理时间内无法完成的计算。量子优势只是意味着量子计算机可以在某些计算上打败经典计算机，即使只是稍微好一点。一些研究人员设计了一些数学证明，证明量子计算机总是优于运行相同算法的经典计算机。但在这种情况下，经典计算机受到了与当今量子计算机核心限制之一类似的限制：它一次只能执行少数操作，就像量子位一样，量子位只能执行少数操作，直到崩溃。

不过，量子优势比量子优势更有优势。量子优势是一个很高的目标，但如果业界只是在寻找一种更快的算法，那么这些量子优势可能会让量子计算机更快地在业界得到更广泛的应用。

对于像谷歌和IBM这样的公司来说，这些术语都带有大量的公关工作。“谷歌会说目标是至高无上的，IBM会说目标是优势。这不会导致硬件的巨大差异。”

最终，当一家制造量子计算机的公司不可避免地宣布它已经取得了“量子霸权”或“量子优势”时，这对该行业来说不会是翻天覆地的变化。他们仍然指的是相对较小、容易出错的设备——研究人员称之为NISQ，或“嘈杂的中等规模量子”机器。这些机器仍将面临与优势设备存在之前相同的限制，比如量子位元能够保持量子状态的时间较短，或者量子位元在失去量子特性之前能够进行的计算次数较低。

劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员说:“量子霸权是我们前进的垫脚石，可以解决更多有趣的问题。”但要让量子计算机成为未来的编码破解、分子模拟设备，还有一些具体的目标。“它需要数量级的更多量子位元和更长的栅极深度，”她解释道——量子位元在失去它们的量子行为之前可以做更多的计算。

​加州大学伯克利分校博士后研究员萨拉莫拉迪安说，要达到这种状态，需要更好的硬件，包括用于基于激光捕获原子的量子计算机的更精确光学。从事超导量子计算机研究的人希望看到系统线路的改进，以及更好的整体控制。这两种系统都需要找到大幅增加规模和尺寸的方法，这并不像在乐高积木塔上添加更多砖块那么容易。量子计算机还需要纠错，或者将单个量子位元的信息跨越多个纠缠的物理量子位元存储起来，以纠正可能的错误。

设备仍然是研究量子物理的突破边界的工具，也许他们会在短期内发现有用的应用，无论他们展示的是“量子至上”、“量子优势”，甚至仅仅是“量子有用性”。“还有很多其他量子设备正在研发中，比如传感器和密码工具，它们可能会更快地得到应用。”

但是，为了启动资金的缘故，希望科学家和技术专家能够证明量子优势，并尽快找到有用的量子计算机应用程序。

量子霸权即将到来，对它的追求将继续以根本和深远的方式推动科学进步。但是证明一个问题的量子优势不会让量子计算机离你的办公桌更近。我们必须继续强调该领域的不确定性，尤其是在短期潜力方面。

量子计算机强调科学和技术有不同的目标，并提供了两个非常不同的视角来理解量子至上。科技可以让人感觉是朝着更好的产品永无止境地前进。但是科学是缓慢的，不可预测的，而且通常是更严格的——它要求人们覆盖所有的基础，以便理解这些突破性的新设备实际上是如何工作的，然后我们才能声称量子计算机实际上是更好的。