最強量子計算機爭霸：谷歌和IBM，誰是真正贏家

?Rigctri量子計算公司的量子計算機

谷歌最先進的計算機設備并不在加州山景城的總部，也不在高科技研發基地硅谷。掌握這一技術的部門隱藏在一片普通的辦公園區里，從圣巴巴拉市向南驅車幾個小時才能到達，而且這里的大多數科技公司都名不見經傳。

這里的開放式辦公區可同時容納幾十人辦公。屋內的墻上，安裝著專門的自行車托架和沖浪板托架。雙開門的實驗室有一間寬敞教室那么大。除了計算機架和各種儀器，減震裝置上還掛著幾個比油桶稍大一點的圓柱形容器。其中一個裝置的外部容器已被移除，由鋼和黃銅構成的內部結構像“枝形吊燈”一樣交織纏繞。該裝置是一臺增壓式制冷機，每下降一層，它的溫度就會更低一些。裝置底部的溫度保持在絕對零度以上，在發絲寬度的真空環境中，肉眼可以看到形似普通硅芯片的結構。但它們實際上并不是由晶體管構成的，這些結構利用微弱的超導電路進行蝕刻，在這種低溫條件下，它們的特征和遵循量子物理定律的原子如出一轍。這就是量子位，也就是量子計算機的基本存儲單元。

2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的芯片通過執行傳統計算機無法完成的任務首次實現了“量子霸權”。谷歌表示，Sycamore僅用53個量子位就在短短幾分鐘時間內完成了一項高難度計算任務，而目前最先進的超級計算機Summit耗時1萬年也不可能完成。谷歌表示，這是一項重大的技術突破，甚至將其比作萊特兄弟實現首次飛行和蘇聯發射第一顆人造衛星，這項突破開啟了計算機發展新紀元，如今最強大的超級計算機在它面前也不過是個算盤。

在圣塔芭芭拉實驗室舉行的一次新聞發布會上，谷歌研發團隊回答了記者近3個小時的提問。但是他們的風趣幽默無法掩蓋緊張情緒。發布會兩天前，谷歌在量子領域的競爭對手IBM的研究人員對這一發現提出了嚴重質疑。他們發表的文章中提到，谷歌研究人員的結果存在計算錯誤。IBM公司認為，谷歌所謂的“最先進的超級計算機大約需要1萬年”完成的任務，其實傳統計算機只需幾天就能實現。當被問及對IBM公司的質疑有何看法時，谷歌量子計算團隊負責人哈特穆特·尼文并沒有給出明確的回復。

其實我們大可將此次事件視為一次學術爭端。即使IBM是正確的，Sycamore的計算速度也確實要比Summit超級計算機快1000倍。谷歌可能只需要幾個月時間就能建造一臺更大的量子計算機，為自己正名。

IBM公司更大的質疑并不是因為谷歌的量子實驗并沒有那么成功，而是一開始它就是毫無意義的測試。和量子計算領域不同的是，IBM公司認為“量子霸權”并不是像萊特兄弟實現首次飛行一樣的歷史高光時刻;實際上，IBM公司甚至不相信量子霸權真的可以實現。

IBM公司對成功的定義有所不同，它將其稱之為“量子優勢。”這不僅僅是用詞和科學上的差異，更是哲學理念的不同，這種理念深植于IBM公司的歷史、文化和發展目標當中，IBM公司的收入和利潤8年來持續走低，而谷歌及其母公司Alphabet的收入額一直在上升。即使在這種情況下，兩家公司不同的發展理念也可能會決定，誰將在量子計算領域更勝一籌。

天壤之別

位于紐約市北郊的IBM托馬斯.J.沃森研究中心是芬蘭新未來主義建筑師埃羅·沙里寧的杰作，它外部光滑的曲線和谷歌的研究中心有著天壤之別。該建筑于1961年完工——當時IBM憑借大型機獲得巨大成功——其博物館般的品質提醒著每一位員工，IBM公司在分形幾何、超導體、AI以及量子計算等各個領域都取得了重大突破。

這個擁有4000多人的研究部門的負責人是西班牙人達里奧·吉爾，他講話的速度總是能讓人感受到他的熱情。兩次訪談過程中，他經常滔滔不絕地講述IBM公司在量子計算領域取得的成就，旨在強調其在該領域研究的悠久歷史。

但在這幾十年中，該公司將研究項目轉化為了商業上的成功，進而取得了良好的聲譽。最近，IBM計劃將人工智能“沃森”改造成精通醫術的機器人。目的旨在為病人提供診斷，并從海量的醫療數據中分析趨勢，雖然研究人員已經與數十家醫療單位展開了合作，但人工智能醫療的商業應用依然很少。即使有些項目投入了實際應用，其最終成果也并不是十分理想。

吉爾表示，量子計算研究團隊正試圖通過研究與商業開發并舉的方法，來打破這一過程。幾乎在開始研究量子計算機的同一時間，研究人員就把相關數據放置在了云端，以供外部人員查閱，他們還可以通過網頁瀏覽器內簡單的拖放功能對其進行編程操作。誕生于2016年的IBM Q Experience目前由15個公用的量子計算機組成，規模從5個～53個量子位不等。每月大約有1.2萬人使用這些設備，用戶群體包含研究人員與學生，同時小型設備的使用是免費的。IBM表示，現在付費（并沒有透露具體費用）使用規模更大的設備的客戶已經超過了100個。

美國超級計算機是“頂點”（Summit）

除了谷歌的Sycamore處理器之外，世界上的任何類似設備，或者說任何一臺量子計算機，都沒有表現出在任何情況下能夠勝過普通計算機的優勢。對于IBM而言，這并不是當下關注的重點。將計算機接入網絡可以讓公司了解到客戶未來的需求，也可以讓外部的軟件開發人員學習如何編寫代碼。反過來，這會讓IBM發展得更好，同時也會促進接下來的量子計算機的開發。

IBM認為，這一過程是實現該公司所謂量子優勢的最快途徑。未來，量子計算機并不會讓傳統計算機徹底淘汰，它們會更加快速以及高效地完成任務，從而獲得更多的經濟效益。IBM的員工表示，鑒于量子霸權是一個里程碑，我們就可以把量子優勢看成一個“連續體”，其中蘊含著各種各樣的可能性。

接下來，我們來了解一下吉爾有關IBM的大統一理論：通過整合公司的傳統、技術專長、其他人員的才智以及對商業客戶的奉獻精神，IBM可以比其他公司更早以及更好地制造出具有使用價值的量子計算機。得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家斯科特·阿倫森表示，從這種觀點來看，IBM認為谷歌宣布量子霸權只是“一種小伎倆”。阿倫森曾對谷歌正在使用的量子算法貢獻頗多。從最好的情況來看，這只是研究工作中必然會產生的短時干擾。而在最壞的情況下，這具有誤導性，因為它可能使人們認為量子計算機會在任何方面都勝過傳統計算機，而非在執行某一特定任務的層面。吉爾表示，“公眾會對‘霸權這個詞產生誤解。”當然了，谷歌則完全不這樣認為。

成為量子領域的新貴

2006年，谷歌首次開始考慮量子領域的問題，那年是該公司成立的第8個年頭。但直到2012年，谷歌才組建了專門的量子實驗室。就在那一年，加州理工學院的物理學家約翰·普雷斯基爾提出了“量子霸權”這一概念。

實驗室的負責人是德國計算機科學家哈特穆特·奈文，他是該領域的權威人士。起初，奈文購買了一套由一家叫做D-Wave的外部公司所生產的設備，并對其進行了一段時間的研究，探索實現量子霸權，可是他并沒有取得成功。奈文表示，2014年，他說服了時任谷歌首席執行官的拉里·佩奇投資研究量子計算機，奈文向佩奇允諾，谷歌將會接受普雷斯基爾的挑戰：“我們對他說，‘聽著，3年之內我們就會回來，并且還會把原型芯片放到你的辦公桌上。這個芯片至少能夠解決一種常規計算機所不能解決的問題。”

在缺少IBM量子技術支持的情況下，谷歌聘請了一支外部團隊，由加州大學圣塔芭芭拉分校的物理學家約翰·馬丁內斯領銜。馬丁內斯和他的團隊已經躋身于全球最頂尖的量子計算機開發者之列，他們曾設法將9個量子位串在一起。而奈文對佩奇的承諾似乎對他們來說也是一個值得追求的目標。

3年的期限轉眼過去，但馬丁內斯的團隊依然在為應對這一挑戰，而努力研發足夠大型以及穩定的芯片。2018年，谷歌公布了當時最大的處理器Bristlecone。Bristlecone具有72個量子位，其他競爭對手的產品已經無法與之匹敵。馬丁內斯預測谷歌會在當年實現量子霸權。但是，當時一些團隊成員正在開發另一種叫做Sycamore的芯片架構，它與Bristlecone有所不同。最終證實，Sycamore芯片可以利用更少的量子位處理更多的任務。該芯片只有53個量子位，而原本則應該有54個，但其中一個出現了故障。谷歌最后在去年秋天宣布實現了量子霸權。

出于實際目的，展示中所使用的程序實際上是沒有用處的。它能夠產生隨機數字，可這并不是量子計算機要干的活。但是，該程序可以用特殊方式生成傳統計算機難以復制的數字，從而證明了這一概念。問問IBM的員工對谷歌的成就有何看法，你就會發現他們的臉色是有多么難看。一向謹慎的澳大利亞籍IBM量子團隊負責人杰伊·甘伯塔表示.“我并不喜歡‘霸權這個詞，我也不喜歡它的含義。”他還說道，問題在于想要預測給定的量子計算是否會比傳統計算機更加困難，這幾乎是一件不可能的事，所以只展示一個案例并不能幫助你找出其他的情況。

谷歌和IBM都在開發這樣的圖形界面，從而讓使用量子邏輯門編程的工作變得更加容易

很多不屬于IBM的人士，都認為把量子霸權看淡是一件愚蠢的事。奈文表示，“任何與此有商業利益牽扯的人都必須首先亮出霸主地位。我認為這是一個基本的邏輯。”即便是麻省理工學院那位態度溫和、不偏不倚的物理學家兼觀察家威爾·奧利佛也表示：“這是一個重要的里程碑。它表明，不論處理何種任務，量子計算機總會在某些任務上勝過傳統計算機。”

量子飛躍

不論你是否認同谷歌或者IBM的立場，下一個目標都十分明確，奧利佛表示：制造出可以幫助人類的量子計算機。我們希望有一天，量子計算機能夠解決當前大量需要用蠻力來計算出結果的問題，比如用于研發新型藥物和材料的復雜分子建模，旨在減少堵塞的城市交通流量即時優化以及進行長期的天氣預報。（最終，它們或許還會破解當今那些用于保護通信以及金融交易安全的加密密碼。不過，到那個時候，也許全世界的大部分地區都將會采用防量子破解的加密手段。）不過現在，我們無法預測出首個需要量子計算機來完成的任務是什么，或者該任務需要多大規模的計算機來完成。

IBM追求的是讓“量子體積”的數值每年都增長一倍，這其實就是著名的摩爾定律在量子領域的演繹

這一不確定性與硬件和軟件兩方面都有關系。從硬件方面來看，谷歌認為，目前該公司的芯片設計可以達到100個～1000個量子位。然而，就像僅僅靠引擎的大小并不能決定汽車的性能一樣，量子計算機的性能也并不只取決于量子位的數量。我們還要考慮到很多其他方面的因素，例如它們可以在“消相干”狀態之外保持多久、出錯率有多少、運行速度有多快以及它們是如何相互聯系的。這些問題意味著，當前量子計算機的運行效率僅發揮出了其全部潛質的一小部分。

與此同時，量子計算機的軟件也像機器本身一樣處于起步時期。在傳統計算機領域，編程語言目前已經較早期軟件開發者使用的原生“機器碼”縮減了數個級別，因為有關數據存儲、處理以及分流的細節都已經標準化了。負責谷歌團隊中軟件工作的戴夫·貝肯表示，“對于傳統計算來說，當你進行編程時，你并不需要去了解晶體管的工作原理。”從另一方面來看，量子代碼必須要根據量子位的情況來進行高精度調整，從而在最大程度上發揮其性能。這就意味著，IBM的芯片并不會在其他公司的設備上運行，甚至谷歌的53量子位Sycamore芯片的優化技術也并不一定適用于未來該公司100量子位的姊妹芯片。更重要的是，這還意味著，沒人能夠預測100個量子位究竟能夠處理多么復雜的問題。

人們最敢想象的一件事就是，在未來的幾年里，擁有幾百個量子位的計算機被用于模擬一些中度復雜的化學反應，這或許足以推動新藥和高效電池的研發。然而，退相干和錯誤會讓量子計算機在進行諸如破解加密這樣的任務時罷工。這就需要一臺“帶有容錯機制”的量子計算機，它需要像傳統計算機那樣，修補錯誤并持續運行。預期的解決方案就是制造冗余：使幾百個量子位在共享的量子態中發揮一個量子位的作用。在共同作用下，它們可以修正單個量子位的錯誤。隨著每個量子位開始受退相干的影響，臨近的量子位將會讓它們重新煥發生機，這是一個永遠不會停止的互相拯救的循環。

根據通常的預測，需要使用1000個相連的量子位才能達到這種穩定狀態。這意味著，想要制造一臺發揮1000個量子位功用的量子計算機，你實際上需要用到100萬個量子位。奈文表示，據谷歌的“保守”估計，盡管還需要克服一些重大技術難題，其中一項目前IBM也許比谷歌更具優勢，但該公司還是可以在十年內就制造出具有100萬個量子位的處理器。到那個時候，或許很多事情都會發生改變。當前谷歌和IBM使用的超導量子位，到那時也許會成為像老舊真空管一樣的技術，它們會被更加穩定以及可靠的技術所取代。盡管用于制造量子計算機的量子位并不多，但全世界的研究人員都在利用各種方法進行相關實驗，以制造量子位。像Rigetti、IonQ以及Quantum Circuits這樣的具有競爭力的初創公司，也許會在某個特定技術上發揮出優勢，從而超越那些所謂的大牌公司。

鑒于谷歌和IBM這兩家公司的規模和財富總量，它們都有機會成為量子計算業務領域內的重要參與者。其他公司將會租用這些公司的設備來處理問題，這就像目前它們從亞馬遜、谷歌、IBM以及微軟租用云存儲以及處理運算服務一樣。由物理學家和計算機科學家引發的學術之爭，將會演化為商業服務部門與市場部門之間的競爭。

哪一家公司會贏得這場競爭呢？收入下降的IBM可能會比谷歌更具緊迫感。IBM知道進入市場過慢的慘痛經驗和代價：2019年夏天，IBM斥資340億美元收購了開源云服務供應商Red Hat，這是有史以來該公司所開出的最高價碼。通過此次收購，IBM意圖追趕亞馬遜和微軟，并逆轉其財務現狀。IBM的戰略部署是將自家的量子計算機放置在云端，并在一開始就建立起付費業務。這一做法似乎是為了讓IBM在業界快人一步。

最近，谷歌也開始效仿IBM的做法，目前其商業用戶包括美國能源部、大眾汽車以及戴姆勒股份公司。馬丁內斯對谷歌沒有盡早采取行動的原因作出了簡單的解釋：“我們并沒有將量子計算機設置在云端的資源。”不過，這也只是谷歌沒有將其置于首要商業目標的另一種說法。

說這個決策會讓IBM處于優勢地位還為時過早，當前的首要問題是，接下來兩家公司將會如何將各自的長處應用到問題的解決之中。吉爾表示，IBM將會從“全棧”技術中獲益，這其中涵蓋了材料科學、芯片制造以及對大公司客戶的服務。從另一方面看，谷歌可以在規模迅速擴大的運營中增強硅谷文化所帶來的創新力以及實踐能力。

至于量子霸權，這確實將會成為人類歷史中的重要時刻，但它絕非具有決定性的意義。畢竟，人人都知道萊特兄弟的首次飛行，可是又有誰能記得他們在之后做了些什么嗎？（摘自英國廣播公司新聞網）（編輯/諾伊克）