[文/观察者网专栏作者潘禺]
“当我想到我认识的十个最聪明的物理学家时，我会说，其中一半人确信量子计算将成为自切片面包以来最好的东西。这将是21世纪的技术。另一半人则确信，即使你能建造一个量子计算机（你肯定做不到），它也永远不会比你的笔记本电脑更有用。在有史以来最有用技术和完全无用之间存在巨大的差距……”
“炒作是真的吗？量子计算将改变一切，还是这真的被过度夸大了，这更多是一个基础科学问题，对于美国来说，这是一个极其重要的问题。”以上这些话，来自美国国防部高级研究计划局（DARPA）今年8月公布的一个视频。
在国内媒体上，中国公众也已经听到了太多关于量子计算的美好承诺，但其中绝大部分都是空头支票。如果能够开发出能容错的量子计算机，对各种科学和工业应用都可能产生革命性的影响——这一假设尚未被证明，至少有两个重要原因。
一个原因是，尽管已经为量子计算机提出了一些算法和应用，但在大多数情况下，尚未完成与现实世界中使用的最佳经典替代方案进行严格比较。另一个原因是，尚不清楚何时或是否可以建造一个商用量子计算机，也就是其计算价值超过其成本，特别是对于需要容错的应用。容错的商用量子计算机，复杂性可能超过传统超级计算机。因此，要证明商用规模设计是可行的，所有必要的组件和子系统都能以所需规格生产，并能成功集成，这非常困难。
商用量子计算机真的可能吗？美国政府现在正努力审视这个问题了。
美国政府的怀疑
2024年7月，DARPA宣布了量子基准测试倡议（QuantumBenchmarkingInitiative，简称QBI），针对那些认为自己有望开发出容错的商用量子计算机的公司。前面提到的视频，就来自QBI的概述。
所谓量子基准测试，就是要定量衡量量子计算的关键进展。对量子计算的未来承诺，往往是未经证实的，那有什么基准能预测明天的量子计算机是否真正具有革命性？一个关键指标就是，估计给定基准性能水平所需的硬件资源。
早在多年前，DARPA就启动了量子基准测试，在第一阶段，有8个跨学科团队编制了200多个潜在应用，从中创建了20个候选基准，用量子计算机解决这些困难的计算任务，具备经济效用并可以量化。
在下一阶段，DARPA选择了三大类特定基准，进行详细研究，分别是化学、材料科学和非线性微分方程，在乐观的承诺中，这些都是量子计算具备优势，可以更高效解决的问题领域。DARPA选择了五个团队，根据严格、以效用为驱动的标准完善这些选定的基准，评估现实世界的效用，并创建工具以估计在现实量子硬件上运行应用程序端到端实例所需的资源和性能。结果表明，量子计算机为某些化学、材料科学应用提供优势存在合理性，但目前尚不清楚是否能够在非线性微分方程应用中实现任何优势。
这次最新的倡议，名义上，DARPA声称是要与美国和世界各地的量子计算公司合作，确定哪些方法最有可能成功，并加以推进，但事实上，DARPA是想要重审形形色色的量子计算项目，检验方法和技术的成熟度。
DARPA想要回答两个非常基本的问题。第一个问题是“如果我有一个真正强大的量子计算机。我能用它做什么？”第二个是“是否有商业公司、学术团体或任何团体有在近期内真正构建那种机器的路径？”
按照DARPA的说法，被QBI资金选中的执行者，要专注于开发并描述有真正价值的量子计算机，也就是其计算价值超过其成本，并且在近期内有实现的合理途径。DARPA的意思就是你们别玩虚的概念，要给出健全的研究和开发计划，提供已证明效用的应用和算法，验证并确认概念可以按设计构建并按预期运行，总之一句话，要对你们的项目做核实和评估。
而评估一个量子计算公司，看看他们的方法是否真的站得住脚，是否真的能在近期内制造出商用的机器，这是非常困难的。所以DARPA将建立一个世界级的验证和确认团队，邀请美国和外国公司参与进来。
“如果真有可能构建这样一个（量子计算机），而且它真的可能具有变革性，那对于政策制定有着深远的影响。如果结果如我们许多人怀疑的那样，真的不可能，它真的不会做一些有用的事情，或者没有路径，我们也需要知道这一点，这样我们就可以更好地规划我们的基础研究资金。因此，DARPA正在启动一个名为量子基准测试倡议的项目。这是一个由DARPA牵头的新的重大政府计划，目的是尝试做到这一点。”
负责QBI的JoeAltepeter博士直言不讳地表示：“我们的初始立场是怀疑”。具体来说，就是怀疑是否可能建造一个完全容错的量子计算机，拥有足够数量的逻辑量子比特。“我们会走进房间说，‘我们相当确定你正在做的事情不会成功。’我会带上一小群科学家和工程师，我们会听取你的证据，并利用我们自己的分析进行双重和三重检查。如果我们确信你正在开发的技术通过了检查，你发现了一些重大的东西，我们会告诉政府的其他人，并成为你方法的坚定支持者。”
量子霸权的争议
2019年10月，谷歌宣布通过其53个量子比特的Sycamore处理器实现了量子霸权。在执行随机电路采样的计算问题上，与经典超级计算机相比，谷歌宣称达到了以200秒对10000年的优势。特朗普的女儿伊万卡·特朗普（IvankaTrump）当时在社交媒体上对谷歌在量子计算领域取得的成就表示祝贺，并称“美国实现了量子霸权”。
然而，IBM等公司对此表示质疑，IBM认为使用经典超级计算机完成相同任务所需的时间可以从谷歌声称的10000年降低到仅需2.5天，阿里巴巴也曾发表声明否定谷歌声称的量子霸权优势，表示可将所需时间从10000年降低到20天内。
量子计算机会比今天的计算机快多少倍，这是一个很自然的问题。不要被谷歌的说辞迷惑，首先要明白，谷歌或任何其他公司声称他们已经实现了量子加速，都只是针对特定的、深奥的基准测试。他们的量子计算机既不能在通常的任务中胜过传统计算机，也不能在破解密码、模拟化学等有实际应用的特定任务中胜过传统计算机。
而即便在“人为指定的赛道”中，所谓量子霸权（或量子加速）也是难以证实的。
解决一个任务的运行时间取决于算法，通常会随着输入数据位数n的增加而增加，形成一个函数关系。比如，一个任务采用一个经典算法需要的步骤数随着n指数增长，而用量子计算机，以某种算法，步骤数只增长为n^2就能解决，在这种情况下，对于小n，用量子计算机解决问题实际上会比用经典方法解决问题更慢、更昂贵。只有当n增长时，量子加速才会首次出现，然后最终占据优势。
但我们怎么知道经典计算机就没有算法捷径呢？这个问题是量子算法研究的核心，通常困难不在于证明量子计算机可以快速完成某件事，而是令人信服地论证经典计算机不能。正如著名的难题P与NP问题，想要给出这样的论证是非常困难的。而在过去的几十年里，当发现具有类似性能的经典算法时，之前推测的量子加速已经反复消失。这也就是开头所说的两个重要原因中的第一个。
要讲清楚另一个重要原因，理解构建量子计算机的困难，就要先从更基本的原理讲起。
