什么是“量子霸权”，为何要用霸权二字来形容计算机，量子霸权真有比核武器还大的制霸和威慑能力吗，谁又能在这场事关国家命运的生死时速中率先实现真正实用化的“量子霸权”？
2019年，谷歌在实验室实现了53个量子比特的操控，宣布率先实现“量子霸权”。
紧接着，我国中科大潘建伟团队在2020年9月5日的学术报告中也提到我国已经实现50个光量子的操控，性能比谷歌强100万倍（间接宣布实现量子霸权），并将在今年底前实现60个光量子的操控，五年内实现1000个光量子。
这里大家肯定不解，为什么谷歌去年就实现了53个物理比特(transmon)，而我国中科大今年仅仅实现了50个光量子的操控就能比谷歌快100万倍呢？
这里其实涉及到学术用语和技术路线的不同，如果按照上次潘建伟团队的18个光量子时的比特耦合方式，依据谷歌的算法应该是150个物理比特甚至更多，篇幅有限如果大家有兴趣下文给大家科普。
今天还是先讲一下什么是“量子霸权”。
量子计算机的原理
量子力学从诞生的那天开始，就已经成为了经典物理学舞台上最耀眼的明星，由于其原理的不确定性，以至于出现了各种奇谈怪论，但无论其成因，量子力学的很多实际应用，已经在高科技领域散发了无比的魅力。
量子计算机之所以超越经典计算机的前景，是因为量子科学里两个基本要素决定的：“量子叠加”和“量子纠缠”。
一个量子比特可以包含叠加态信息，而非经典比特只能是一个状态
- 量子叠加是指量子是存在叠加态的，传统经典物理里面一个物体是只有一个确定属性的，比如不是0就是1，只能是其中一个。但在量子力学里面，一个量子即可以是0，也可以是1，还可以是0和1同时存在。
- 量子纠缠是指处于纠缠态的量子可以通过其中一个的状态，确定另一个的状态，他们是处于紧密联系的关系，处于纠缠态的量子，如果一个是0，另一个是1，那把0改成1，另一个也会随之改变成0，而且这种关系的改变和联动是超越时间和空间的（目前科学暂时无法解释其原理，但已经证明存在）。
量子计算的原理
量子计算机的核心关键就是操控处于纠缠态的量子，操控的纠缠态量子越多，计算机的计算能力就越强。
量子测量与量子纠缠
量子计算机以纠缠态存在的能力是其额外计算能力的重要组成部分，也是量子计算区别于其他经典计算的地方。
- 量子计算机数据叠加存储：2位经典计算机比特的存储器，它可以代表00，01，10，11这4个二进制数中的任意一个，而2位的量子位存储器则可以同时存储这4种状态的叠加状态。
- 量子计算机可以并行运算：由于数学操作可以同时对存储器中的全部数据进行操作，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机重复实施2^N次操作，或者采用2^N个不同的处理器实行并行操作。量子计算机可以节省大量的运算资源，理论上极大地提高运算效率。
以上理论可能大家看的一头雾水，这里给大家直白的解释一下：
经典计算机一个比特只能存储一个状态，而量子计算机在存储上可以做到一个比特单位同时存储好几个状态，随着比特数的增加，这个存储能力呈指数级增长。举个例子：一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。
在计算方面，经典计算机只能一步一步地计算，而量子计算机可以做并行运算，同时运算存储器中的全部数据，比如寻找迷宫出口，经典计算机只能一条路一条路的尝试，而量子计算机可以派出100个甚至更多的解密者同时出发走遍所有的路，所以量子计算机的能力将远远超远目前的经典计算机。
量子计算机
什么是量子霸权
量子霸权是个学术用语，指的是一个里程碑事件，当量子计算机的能力超越了经典计算机的时候，就是实现了“量子霸权”。
量子计算机如果成熟，其计算和储存能力将成万亿倍超越传统经典计算机。
据科学家估算，只要实现50个量子比特的操控，即可超越传统经典计算机，实现量子霸权。
这里的量子霸权是量子系统对其对应的经典系统的霸权, 字面上并非是国与国之间的霸权关系。
谷歌的 sycamore 量子芯片(来源:谷歌)
但话又说回来，量子计算，也被称为和平时代的「核力量」，谁率先实现量子霸权，谁就将领导下一场信息革命（工业革命）。在一个算力为王的互联网时代，量子计算技术一旦获突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域崛起为超级强国。
量子霸权都有哪些“制霸”的能力
了解完量子计算机的原理和量子霸权的概念后，我们来看看如果实现了量子霸权，将会给世界或人类文明带来哪些改变。
2020年8月28日，谷歌成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应。这意味着用计算机的计算能力，不光可以还原物理反应，还可以还原化学反应，创造一个完全数字化的复杂世界。
- 生物基因工程和医学突飞猛进
药物的开发过程更高效，生物学家们不必再一次次反复做实验，量子计算机瞬间就可以得知实验结果，人类的生物密码和DNA将被破解，找出或改变其中导致疾病和衰老的核糖核酸加以改进，人类永生和任意改造自己不再是幻想。
未来的基因工程可以创造出不死不病的完美人类吗？
- 人工智能
由于量子计算机有并行运算能力，跟人脑的原理类似，量子计算机让人工智能得以在比人脑还小的芯片内具有远远超越人脑的运算和存储能力，同时量子比特的中间态还可以让人工智能具备类似人类情感的判断能力，这将是人工智能超越人脑的里程碑事件。（科学界还有一说，意识是量子态的，不过还停留在研究阶段，尚未定论）
- 军事用途
量子强大的算力让所有弹道导弹的突防都成为不可能，高超音速和多机动变轨能力在量子计算机面前就是小儿科，瞬间解算出弹道进行拦截，核武器不再能保证国家安全，就连手枪子弹的弹道都可以瞬间解算进行规避或拦截，子弹的飞行速度远不及量子计算的速度；量子计算强大的屏障能力和攻击能力让对手变得像豆腐一样不堪一击，没有任何国家能在量子霸权面前幸存。
- 虚拟现实和增强现实
未来的虚拟现实将和真实世界傻傻分不清，计算机可以模拟自然界的一切，物理定律、化学反应、人工智能、光合作用等等皆可模拟，《黑客帝国》不再是科幻片，你未来的虚拟女友比真实女友还要真实和可爱。
全数字化的虚拟世界离我们还有多远
- 宇宙的起源和天文
将现有的资讯输入量子计算机，可以解算出整个宇宙未来的命运，或反向运算破解起源的秘密。
- 基础物理材料
未来不再需要物理实验室，在量子计算机里可以模拟计算合成出任何我们想要的材料，以及基础物理所需的任意庞大计算和试验。
以上只是举例说明，量子计算机所能覆盖的领域很多，这里就不展开一一说了。
实现量子霸权是事关国家和人类的命门所在，谁率先将量子计算机用于实用，谁就掌握了这个世界的话语权，这将是人类文明的一次跃迁。
人类文明将被量子计算机带向何处
谁将率先实现量子霸权
虽然各国都在大力投入量子计算机的研发，但目前看来（以实际发表的论文为准），处于量子计算机研发第一梯队仍是中美两国。
而且两国的路线不同，虽然都是在做量子纠缠态的操控，但美国主要是一对纠缠态量子实现一个物理比特，而我国中科大团队是一对纠缠态量子实现3个物理比特；美国可操控量子数量多，我国数量少，但我国实际能实现的量子比特数跟美国一直都在激烈的竞争状态，不相上下。
2019年9月谷歌以53个量子比特，让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务，表示成功实现了“量子霸权”。
2020年8月25日，中国科技大学潘建伟团队的朱晓波教授对外宣布，中国科大今年已经实现50个光量子的操控，比谷歌去年宣布的量子霸权要快100万倍。预计今年底可以实现60个光量子的超导量子系统，并且有望在5年后实现千个量子比特的系统。
我国民营企业也加入到这场生死竞速中
目前看来，虽说我国中科大团队暂时领先一头，但现在说谁能将量计算机率先投入实用还为时过早，其中存在的大量的问题，如可操控量子的保真率、量子计算机的底层运算逻辑、运行环境（目前必须在零摄氏度运行）、量子计算结果的不确定性等等问题都制约了实用，
其实很多高科技，都是路线之争，方向对了，才能获得最后的胜利。
中美的量子计算机技术路线到底谁更正确呢，还是条条大路都通罗马？
PS：国内有很多人质疑潘建伟团队的研究，对于负面评价的问题，潘老师淡淡地说了一句：我们研究组发在国际期刊上的每一篇文章都是货真价实，如果你能找到毛病，我们虚心接受。
那么我国和美国的路线到底存在哪些不同，为什么说我国50光量子的操控就超越谷歌53个量子比特100万倍？哪家的技术更有实用价值呢？大家有兴趣的话下文科普。
关注不迷路，后面更精彩。（部分图源：中国计算机协会《量子计算》）
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