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【文/觀察者網專欄作者 潘禺】

“當我想到我認識的十個最聰明的物理學家時，我會說，其中一半人確信量子計算將成為自切片面包以來最好的東西。這將是21世紀的技術。另一半人則確信，即使你能建造一個量子計算機（你肯定做不到），它也永遠不會比你的筆記本電腦更有用。在有史以來最有用技術和完全無用之間存在巨大的差距……”

“炒作是真的嗎？量子計算將改變一切，還是這真的被過度夸大了，這更多是一個基礎科學問題，對于美國來說，這是一個極其重要的問題。”以上這些話，來自美國國防部高級研究計劃局（DARPA）今年8月公布的一個視頻。

在國內媒體上，中國公眾也已經聽到了太多關于量子計算的美好承諾，但其中絕大部分都是空頭支票。如果能夠開發出能容錯的量子計算機，對各種科學和工業應用都可能產生革命性的影響——這一假設尚未被證明，至少有兩個重要原因。

一個原因是，盡管已經為量子計算機提出了一些算法和應用，但在大多數情況下，尚未完成與現實世界中使用的最佳經典替代方案進行嚴格比較。另一個原因是，尚不清楚何時或是否可以建造一個商用量子計算機，也就是其計算價值超過其成本，特別是對于需要容錯的應用。容錯的商用量子計算機，復雜性可能超過傳統超級計算機。因此，要證明商用規模設計是可行的，所有必要的組件和子系統都能以所需規格生產，并能成功集成，這非常困難。

商用量子計算機真的可能嗎？美國政府現在正努力審視這個問題了。

美國政府的懷疑

2024年7月，DARPA宣布了量子基準測試倡議（Quantum Benchmarking Initiative，簡稱QBI），針對那些認為自己有望開發出容錯的商用量子計算機的公司。前面提到的視頻，就來自QBI的概述。

所謂量子基準測試，就是要定量衡量量子計算的關鍵進展。對量子計算的未來承諾，往往是未經證實的，那有什么基準能預測明天的量子計算機是否真正具有革命性？一個關鍵指標就是，估計給定基準性能水平所需的硬件資源。

早在多年前，DARPA就啟動了量子基準測試，在第一階段，有8個跨學科團隊編制了200多個潛在應用，從中創建了20個候選基準，用量子計算機解決這些困難的計算任務，具備經濟效用并可以量化。

在下一階段，DARPA選擇了三大類特定基準，進行詳細研究，分別是化學、材料科學和非線性微分方程，在樂觀的承諾中，這些都是量子計算具備優勢，可以更高效解決的問題領域。DARPA選擇了五個團隊，根據嚴格、以效用為驅動的標準完善這些選定的基準，評估現實世界的效用，并創建工具以估計在現實量子硬件上運行應用程序端到端實例所需的資源和性能。結果表明，量子計算機為某些化學、材料科學應用提供優勢存在合理性，但目前尚不清楚是否能夠在非線性微分方程應用中實現任何優勢。

這次最新的倡議，名義上，DARPA聲稱是要與美國和世界各地的量子計算公司合作，確定哪些方法最有可能成功，并加以推進，但事實上，DARPA是想要重審形形色色的量子計算項目，檢驗方法和技術的成熟度。

DARPA想要回答兩個非常基本的問題。第一個問題是“如果我有一個真正強大的量子計算機。我能用它做什么？”第二個是“是否有商業公司、學術團體或任何團體有在近期內真正構建那種機器的路徑？”

按照DARPA的說法，被QBI資金選中的執行者，要專注于開發并描述有真正價值的量子計算機，也就是其計算價值超過其成本，并且在近期內有實現的合理途徑。DARPA的意思就是你們別玩虛的概念，要給出健全的研究和開發計劃，提供已證明效用的應用和算法，驗證并確認概念可以按設計構建并按預期運行，總之一句話，要對你們的項目做核實和評估。

而評估一個量子計算公司，看看他們的方法是否真的站得住腳，是否真的能在近期內制造出商用的機器，這是非常困難的。所以DARPA將建立一個世界級的驗證和確認團隊，邀請美國和外國公司參與進來。

“如果真有可能構建這樣一個（量子計算機），而且它真的可能具有變革性，那對于政策制定有著深遠的影響。如果結果如我們許多人懷疑的那樣，真的不可能，它真的不會做一些有用的事情，或者沒有路徑，我們也需要知道這一點，這樣我們就可以更好地規劃我們的基礎研究資金。因此，DARPA正在啟動一個名為量子基準測試倡議的項目。這是一個由DARPA牽頭的新的重大政府計劃，目的是嘗試做到這一點。”

負責QBI的Joe Altepeter博士直言不諱地表示：“我們的初始立場是懷疑”。具體來說，就是懷疑是否可能建造一個完全容錯的量子計算機，擁有足夠數量的邏輯量子比特。“我們會走進房間說，‘我們相當確定你正在做的事情不會成功。’我會帶上一小群科學家和工程師，我們會聽取你的證據，并利用我們自己的分析進行雙重和三重檢查。如果我們確信你正在開發的技術通過了檢查，你發現了一些重大的東西，我們會告訴政府的其他人，并成為你方法的堅定支持者。”

量子霸權的爭議

2019年10月，谷歌宣布通過其53個量子比特的Sycamore處理器實現了量子霸權。在執行隨機電路采樣的計算問題上，與經典超級計算機相比，谷歌宣稱達到了以200秒對10000年的優勢。特朗普的女兒伊萬卡·特朗普（Ivanka Trump）當時在社交媒體上對谷歌在量子計算領域取得的成就表示祝賀，并稱“美國實現了量子霸權”。

然而，IBM等公司對此表示質疑，IBM認為使用經典超級計算機完成相同任務所需的時間可以從谷歌聲稱的10000年降低到僅需2.5天，阿里巴巴也曾發表聲明否定谷歌聲稱的量子霸權優勢，表示可將所需時間從10000年降低到20天內。

量子計算機會比今天的計算機快多少倍，這是一個很自然的問題。不要被谷歌的說辭迷惑，首先要明白，谷歌或任何其他公司聲稱他們已經實現了量子加速，都只是針對特定的、深奧的基準測試。他們的量子計算機既不能在通常的任務中勝過傳統計算機，也不能在破解密碼、模擬化學等有實際應用的特定任務中勝過傳統計算機。

而即便在“人為指定的賽道”中，所謂量子霸權（或量子加速）也是難以證實的。

解決一個任務的運行時間取決于算法，通常會隨著輸入數據位數n的增加而增加，形成一個函數關系。比如，一個任務采用一個經典算法需要的步驟數隨著n指數增長，而用量子計算機，以某種算法，步驟數只增長為n^2就能解決，在這種情況下，對于小n，用量子計算機解決問題實際上會比用經典方法解決問題更慢、更昂貴。只有當n增長時，量子加速才會首次出現，然后最終占據優勢。

但我們怎么知道經典計算機就沒有算法捷徑呢？這個問題是量子算法研究的核心，通常困難不在于證明量子計算機可以快速完成某件事，而是令人信服地論證經典計算機不能。正如著名的難題P與NP問題，想要給出這樣的論證是非常困難的。而在過去的幾十年里，當發現具有類似性能的經典算法時，之前推測的量子加速已經反復消失。這也就是開頭所說的兩個重要原因中的第一個。

要講清楚另一個重要原因，理解構建量子計算機的困難，就要先從更基本的原理講起。