众所周知，目前世界最强大的超算是美国能源局下属橡树岭国家实验室的“顶点（Summit）”超级计算机。但在9月20日，据《财富》，《金融时报》等外国媒体报道，谷歌在一篇论文中透露他们已经利用一台53量子比特的量子计算机在200秒内完成了“顶点”超级计算机需要计算10000年的计算任务。
如果情况属实，那么这将会是量子计算领域的里程碑事件。尽管只是在一个仅适用于量子处理器的计算问题上超越了经典计算机。但是这正好符合所谓“量子霸权”理论。
量子霸权？量子计算机？那今天就讲讲量子计算机呗。先说说量子计算机，最早量子计算机的想法就是基于对经典计算机芯片散热的研究。那么就先简单介绍一下为什么经典计算机会发热。经典计算机其实是通过逻辑电路来完成运算的，经典计算机所使用的二进制中，0和1还代表着逻辑运算，或者叫“布尔代数”，即1代表“真”0代表“假”。真假之间的运算通过逻辑运算来实现，比如大家耳熟能详的“与或非”——真与真得到结果就是真，假或假得到结果是假。这些运算通过逻辑门实现，比如“与门”“非门”等。这些逻辑门里，有可逆逻辑门和不可逆逻辑门，可逆门实现的逻辑运算是可逆的，比如非门中执行的非运算中，输入一个比特真得到一个比特假，反过来运算输入一个比特假也可以得到一个比特真。不可逆逻辑门所执行的逻辑运算是一种不可逆操作，比如在与门中，输入两个比特真才得到一个比特真，丢失了一个比特的信息，这就是不可逆门。而根据兰道尔原理（Landauer"s principle），每擦除一比特数据所产生的热量至少是kTLn2。好巧不巧，经典计算机芯片基本都是不可逆操作，随着不可逆操作不断增多，产生的热量也就越来越多。而且目前最先进的计算机擦除一比特数据所产生的热量是理想状态的10的8次方倍以上。所以人类发明了各种各样的芯片散热装置，就是为了不让芯片烧毁。为了解决散热问题，有人就提出：咱把计算机里的不可逆操作变成可逆操作不就完事了吗！
现在跑题结束，回到量子计算机身上，最终要的问题来了，有什么办法可以把不可逆操作变成可逆操作捏？还真有，灵感就来自量子力学，因为量子力学要求力学量是可逆的！那么基于量子力学的量子逻辑电门也就是可逆的，这样，因为擦除数据所产生的热量也不再产生。
1982年，理查德·费曼提出了按照量子力学规律工作计算机的概念，通俗的讲，就是用量子比特替换经典计算机中的经典比特。相较于一个经典比特位只能表示1或者0，我们可以利用量子的双态系统做一个比特位，这就是前面提到过的量子比特。至于双态系统嘛，大家可以参考一下虐猫达人薛定谔那又死又活的猫儿。再借用一下薛定谔的猫，猫在没有观测者的情况下，量子力学告诉我们它既是死的也是活的，那么把“死”和“活”看做0和1，再把猫当做量子比特，那么一个量子比特就能同时表示0和1这两种状态。这时候我们再把经典比特位拿出来鞭尸一下：有通用n个经典比特位和n个量子比特位，经典比特就只能表示一个数，而量子比特理论上可以表示2的n次方个数。
紧接着各种各样的问题就出现了，首先是拿什么当量子比特（先别动那只猫，给它放天假吧），物理学家们表示这个问题好解决，理论上只要是二维复希尔伯特空间的两级量子体系都可以当做量子比特（别问什么是二维复希尔伯特空间的两级量子体系，我也想问）。
然后就是算法，经典计算机的那套算法肯定不能直接搬过来用。于是在1994年，贝尔实验室的彼得舒尔发现了可以进行因子分解的有效量子算法，被称为shor算法。举个例子，据微软研究院的人士估计，破解2048比特强度的RSA密钥可能需要当今最快的经典计算机耗费10亿年以上的时间，而运行Shor算法的量子计算机只需要不到100秒就可以完成。2001年，IBM的一个小组使用NMR实验的量子计算机，以及7个量子比特，使用舒尔算法对15进行了质因数分解，得出3和5，证明了舒尔算法是可行的。但要用舒尔算法破解RSA密钥，算上量子纠错码，至少也得好几亿个量子比特，所以大可不必担心银行卡密码被人破解。
当解决量子比特和算法问题后，最棘手的问题来了——量子的相干性很难保持，用人话说就是假设有一个量子处于叠加态，就算我们不对它进行观测，它也会和周围环境发生量子纠缠，然后它的相干性就慢慢消失了，这称为量子退相干，量子退相干会导致系统的量子行为变迁为经典行为。人们研究量子计算机本想利用它叠加态的优势，结果现在都退相干变成经典计算机了，聪明的人类很快想出解决方法：退相干没问题，我不让你退相干不就完事了么。然后就有了各种各样的量子编码，比如上面提到过的量子纠错码，就是一种用多个量子比特位当做一个量子比特位来用，谷歌有72个量子比特的处理器Bristlecone就是将8个量子比特归为一组，当做一个量子比特来用，所以这款处理器能进行逻辑运算的量子比特只有9个。
那量子计算机和量子霸权有啥关系吗？所谓“量子霸权”，是美国加州理工学院普雷斯基尔教授于提出的一个概念。简单的讲，就是一台拥有50个量子比特的量子计算机在处理某些特定问题上可以超越世界上最好的经典计算机。但因为以目前技术，很难在保持量子比特相干性的同时做到大规模的集成。所以在年初，普雷斯基尔教授发表论文，文章不再提及“量子霸权”，而是换了个词——“人类即将进入一个含噪声的中型量子计算机时代（NISQ）”。所以，“量子霸权”是一个非常模糊的说法罢了。
胡扯了这么多关于量子计算机的科普知识，再回过头看看谷歌的论文，论文里最重要的部分是谷歌在多项式时间内实现了对一个随机量子电路得到采样，而使用经典计算机则需要很多时间。虽然在这个特定的问题上，量子计算机超越了经典计算机。但是，我们离量子计算机的最强完全体状态还有很长一段路要走。
还有一个问题需要提一下：量子计算机并不能取代经典计算机，在有一些不需要并行运算的问题上，用经典计算机已经足够快，比如计算一加一等于几。打个比方，飞机很快，但出门吃个早饭我想还是走路或者骑车比较方便。
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