【科技‧未来】科网巨企之争 为何执着量子位元和霸权？
几间科技公司貌似正进行一场量子计算的军备竞赛。在1月的国际消费电子展（CES）上，英特尔（Intel）和IBM分别展示了49和50量子位元的处理器原形，到3月由Google在洛杉矶美国物理学会（APS）年会上，发布了72量子位元的处理器Bristlecone。当时，领导Google团队的物理学家马天尼斯（John Martinis）乐观地认为，虽然团队需要作更多测试，但本年内甚至几个月后，新处理器就能达到“量子霸权”（Quantum Supremacy），即是技术发展到一个地步，量子电脑能够做到即使是最快的传统电脑也无法运算的工作。
几间科技公司貌似正进行一场量子计算的军备竞赛。在1月的国际消费电子展（CES）上，英特尔（Intel）和IBM分别展示了49和50量子位元的处理器原形，到3月由Google在洛杉矶美国物理学会（APS）年会上，发布了72量子位元的处理器Bristlecone。当时，领导Google团队的物理学家马天尼斯（John Martinis）乐观地认为，虽然团队需要作更多测试，但本年内甚至几个月后，新处理器就能达到“量子霸权”（Quantum Supremacy），即是技术发展到一个地步，量子电脑能够做到即使是最快的传统电脑也无法运算的工作。
阿里巴巴挑战Google量子霸权
这场霸权之争最近又因阿里巴巴开发的“太章”而增添变数。本月初阿里巴巴宣布，太章以传统电脑成功模拟出81量子位元的Google随机量子电路。这个量子模拟器取名自《淮南子．坠形训》的“禹乃使太章步自东极至于西极，二亿三万三千五百里七十五步”，以太章徒步测距典故，寓意一种经典方式理解量子运行。
很多人期望Bristlecone这个未来处理器能达至量子霸权，可是，我们的测试结果则显示，这种热中可能太过乐观。
这次太章的模拟测试结果，回应了Google的量子霸权预言。换言之，Google的量子霸权或须再等一段日子。虽然施尧耘指出，太章的测试把量子霸权的门槛暂时稍为提高，以一种比以往更好的计算分拆方法达至模拟成果，但是，测试报告也承认，长远而言，量子处理器的潜力，将会击败传统模拟器。
测试结果一出，中国网络上充斥着“81比特打脸谷歌”、“打破谷歌霸权”之类的报道，仿佛量子位元多寡、打破量子霸权，就是量子电脑的一切。然而，实际上又是如何呢？
量子运算超越0与1
量子电脑之所以能拥有“霸权”，在于量子位元（Qubit）除了可以是传统电脑位元（Bit）的0或1，还可以同时是0和1，直至我们测量它时才能知道是0还是1。这种称为叠加（Superposition）的特性，就如掷到半空的硬币，本身既有头像（0）和数字（1），但在半空转动时既是0也是1，到最后落下才知道哪一面朝上。
设想有四个位元，若是传统位元，就只能是总共16种可能性；若换成量子位元，四个位元就已经同时包含了16种可能状态。这样每外加一个量子位元，所包含状态数目都会呈指数地增加，即五个量子位元就同时包含32个状态，50个量子位元就已经相当于1.125千兆个传统位元。
量子位元的另一个特性，就是量子纠缠（Quantum Entanglement）。在这种状态下，成形连结的两个量子，即使分隔多远，其中一个量子也会即时呈现与另一量子相反的状态，换言之只要测量纠缠状态下的其中一个量子位元，就自然知道另一量子位元的结果。叠加与纠缠状态，让量子位元同时进行多个运算。假设要走出一个复杂的迷宫，传统电脑只会每次试一条路，但量子电脑可能是同时试几十、几百甚至更多条路。
霸权不等于取代
尽管如此，量子电脑只是科学家利用了量子物理一些独特性质，发展出的运算方法。这种算法最终只是提供了一个很大机会属于我们想要的结果，换言之，计算存在错误率，有需要回头确认，只是当资料量大或情况复杂时，仍比传统逐条路试来得有利。假设传统电脑需要尝试100万次，量子算法只需它开方的次数，即1,000次。所以所谓霸权并非代表量子电脑能取代传统电脑，只是在较为特定的情况下才有明显优势。
因此，量子霸权的意义不在于谁的量子位元数比谁多，而是这些算法上的提升可为我们带来更多什么样的应用。暂时比较明朗的应用与化学相关，因为化学反应和物料性质均受原子与分子的互动影响，这种互动正是涉及量子现象机制，量子电脑将比传统电脑更能模拟及计算这些结构和反应。这将有助于设计和开发更好的太阳能电池、燃料、药物等，正与IBM合作的德国大型车厂戴姆勒（Daimler），认为未来有望以量子计算改善电动车电池。
量子电脑早于1982年被物理学权威费曼（Richard Feynmann）提出，至今仍未有任何重要计算应用成果。除了上述可能的应用以外，未来在什么领域能作出页献，也是一大问号。对于一些公司正研究量子计算可否用作设计交通路线、建立金融市模型等，微软（Microsoft）量子计算研究员乔丹（Stephen Jordan）表示，至今电脑科学家仍未证明量子计算在这些领域上有何优势：“我们将要依靠未来量子设备进行更多实验，才知道量子演算法的优点为何。”
霸权光环背后 多个技术瓶颈待破
何况在霸权光环背后，量子计算技术仍属初期，多个局限尚待突破。量子电脑要发挥所长或达至所谓霸权，最理想是所有量子位元都能完美运作，这就必须维持和延长相干时间（Coherence Time），即保持量子系统状态稳定。事与愿违，现时量子状态极为敏感脆弱，容易受“杂讯”（Noise）影响，例如振动、电磁场、温度改变等，都会扰乱量子位元状态，导致运算错误。因此现时它们需要妥善隔离，保持温度接近绝对零度（摄氏负273度）。即使如此，量子态一般只能维持数以微秒计，IBM研究院（IBM Research）正试图将之延长至毫秒级别。
而且，随着量子位元数量愈来愈多，要克服的困难也愈来愈大。耶鲁大学应用物理教授舒尔哥普夫（Robert Schoelkopf）提醒：“若你有50或100量子位元运作良好，而且完全修正错误，你的确可以做到传统机器无法匹敌的复杂计算。但反过来，量子计算出错的可能指数也会增多。”马里兰大学量子资讯及电脑科学中心（QuICS）总监柴尔斯（Andrew Childs）指出，运算能力耗费于修正这些错误而非真正运行演算，也是另一难题：“现时的错误率明显地限制了可进行的计算长度，若要发展为有效应用，我们仍有大量改善空间。”若无法改善众多问题，单纯地再多的量子位元，带来所谓的霸权也是徒然。
为何执着霸权
基于这些限制，在现时绝大部分的计算工作上，传统的超级电脑比量子电脑更快、更经济，以及更方便。英国牛津大学量子科技教授本雅明（Simon Benjamin）比喻，如果将一般计算工作换上量子电脑，就是“租一架巨无霸客机来过马路”。因此，霸权未必再是适合的说法。他提出“量子独特性”（Quantum Inimitability）取代量子霸权，更强调量子计算只适用于特定工作。
你很难找到喜欢‘量子霸权’这个用语的研究人员。这个词汇虽然能够引人注意，但是有点误导，而已过分吹捧量子电脑的能力。
甚至，在2011年一次演讲中创立这个用语的加州理工学院（CalTech）理论物理学家普雷斯基尔（John Preskill），也开始不说这一套。他在本年1月发表的论文中改称为“杂讯中间阶段量子”（Noisy Intermediate-Scale Quantum） ，量子机器将具备50至数百个量子位元，“杂讯”强调我们无法完美控制这些量子，将会在短期内大大限制量子机器的进展。虽然他仍深信量子电脑将为社会带来革命性改变，但也坦承这些改变“可能还要几十年才实现”。
即使当日曾被视为接近量子霸权的Bristlecone，马天尼斯的团队也不过在它之上运行一个特别的演算法，只为展示量子机器的能力，而没有任何实际应用。他也意识到这一点：“当我们达到量子霸权，我们希望能展示到量子机器能做些真正有用的事。”惟现时量子计算行业仍十分早期，复杂量子机器应用软件的开发人员寥寥可数。由麻州理工（MIT）创立的初创加速器“The Engine”，合伙人斯特蒂文特（Reed Sturtevant）估计，这些开发人员在现时全球不足100人。
种种困难下，量子电脑如何影响我们的生活，到底只是为特定工作而设，还是带来根本上的变革，仍有待更多解答。在此之前，对于量子位元数字迷恋，以至盲目追捧量子霸权，对于我们理解这个科技所带来的影响，是毫无助益的。
上文刊载自第112期《香港01》周报（2018年5月28日）《要追求量子霸权吗？》。
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