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

量子計算是一門利用量子物理學奇異之處的科學，它仍然是一個快速發展且存在爭議的領域。量子計算機在氣候科學和藥物發現等領域擁有巨大潛力，它們提供的計算速度遠遠超過傳統的同類產品。

01 潛在缺點

然而，這種先進技術并非沒有潛在的缺點。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術研究之外展示更多的實用性。

02 量子計算機算力驚人

四年前，谷歌聲稱自己是第一家實現“量子霸權”的公司，這是量子計算機超越傳統計算機的一個里程碑。這在當時受到了競爭對手的質疑，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個量子比特。與早期版本的53個量子比特相比，這是一個巨大的飛躍。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。

由于每個量子比特可以同時以0、1或兩者的狀態存在，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法匹敵。

谷歌團隊在arXiv平臺上發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。我們根據改進的傳統方法估計了計算成本，并證明我們的實驗超出了現有傳統超級計算機的能力。”

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制代碼語言上運行，被限制在0和1的雙狀態現實中。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。但無論如何，這一發展肯定會給計算能力帶來巨大變化。

例如，根據谷歌團隊的說法，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

量子計算領域的許多專家都贊揚了谷歌取得的重大進步。總部位于劍橋的量子公司Riverlane的首席執行官史蒂夫·布里爾利(Steve Brierley)稱，谷歌的突破是一個“重大里程碑”。

他還補充說：“關于我們是否已經達到或確實能夠達到量子霸權的爭論，現在已經解決了。”

同樣，蘇塞克斯量子技術中心主任溫弗里德·亨辛格教授（Winfried Hensinger）也稱贊說，谷歌解決了一個難以在傳統計算機上計算的特定學術問題。

亨辛格教授說：“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展。”但他強調，即將到來的關鍵一步將是創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表評論，但很明顯，量子計算領域的這一進展已經引起了全球研究人員和公司的注意。這將為計算技術的發展開辟新的前景和競爭。

05 量子計算基礎

量子計算是技術進步的一次顯著飛躍，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型的問題上明顯優于傳統計算機。

傳統計算機基于比特運行，比特可以是0或1的狀態。另一方面，量子計算機在量子比特上運行，稱為量子比特。與傳統比特不同，量子比特可以同時以兩種狀態存在，這要歸功于一種被稱為疊加的量子原理。

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

量子計算機利用的另一個關鍵量子原理是糾纏。糾纏的量子比特緊密相連，改變一個量子比特的狀態，與它糾纏的伙伴的狀態也會瞬間改變，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題的理想選擇。

密碼學是量子計算可以產生重大影響的一個值得注意的領域。快速分解大數的能力使量子計算機對當前的加密系統構成威脅，但也為開發更安全的量子加密方法打開了大門。

在醫學領域，量子計算可以實現復雜分子結構的建模，加速藥物的發現。量子模擬可以提供對新材料和新工藝的見解，此前這些新材料和工藝可能需要數年時間才能通過實驗發現。

07 量子計算面臨的挑戰

盡管潛力巨大，但量子計算并非沒有挑戰。量子態非常微妙，在一段時間內保持這種狀態是一個重大挑戰，也就是量子相干性。最輕微的環境干擾都會導致量子比特失去狀態，這種現象被稱為退相干。

量子糾錯是另一個艱巨的挑戰。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。開發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。

總部位于布萊頓的初創企業通用量子(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用功能。

他說：“這是量子霸權的一個很好的證明。雖然在學術上是一個偉大的成就，但所使用的算法并沒有真正在現實世界中得到實際應用。我們真的必須進入實用量子計算時代。在這個時代，擁有數千個量子比特的量子計算機實際上開始以傳統計算機永遠無法實現的方式為社會提供價值。”

08 量子計算的未來

雖然量子計算仍處于起步階段，但創新的快速步伐預示著一個充滿希望的未來。IBM、谷歌和微軟等科技巨頭以及眾多初創公司都在量子計算研究方面取得了重大進展。

在未來幾年，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。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現。

量子計算代表了一個激動人心的前沿領域，有望幫助我們重塑解決復雜問題的方式。隨著研究和開發的持續進行，我們離釋放這項變革型技術的全部潛力越來越近。