《自然》科学期刊一篇论文今天宣布，谷歌，美国宇航局和橡树岭国家实验室合作，证明了能够在几秒钟内计算的能力，这些计算用最大和最先进的超级计算机需要几千年的时间，从而实现了称为“量子至上”的里程碑。
美国宇航局艾姆斯研究中心的中心主任尤金·图（Eugene Tu）说：“量子计算仍处于起步阶段，但这一革命性成就使我们向前迈进了一步。今后数十年来，我们到达月球，火星及以后的任务都受到这样创新的推动。”
量子计算是关于如何利用量子力学的独特特性来解决某些类型的问题的研究，其速度远远超过传统计算机。潜在的一种应用是美国宇航局未来有一天可以使用这些技术来支持太空任务，量子优化可以使任务时间表更加高效，而量子仿真则可以为现代航天器设计轻巧耐用的材料。实现“量子至上”这一里程碑是迈向未来的第一步。
NASA艾姆斯中心的Pleiades超级计算机发现量子至上极限的众多超级计算机之一
“量子至上”是量子计算设备解决传统计算机实际上无法解决的问题的潜在能力。通俗来讲，它是指更快解决问题的潜力，用计算复杂性理论来说，“量子至上”通常意味着在最著名或可能的经典算法上提供超多项式加速。
以“秀尔算法”为例，这是在1994年发现的，针对整数分解这题目的的量子算法。它要解决题目如下：给定一个整数N，找出它的质因数。 在一个量子计算机上面，要分解整数N，秀尔算法的运作需要多项式时间（时间是log N的某个多项式这么长，log N在这里的意义是输入的文件长度）。更精确地说，这个算法花费O((log N)3)的时间，展示出质因数分解问题可以使用量子计算机以多项式时间解出。这比起传统已知最快的因数分解算法，普通数域筛选法，其花费次指数时间还快了一个指数级别。
像分解整数一样，基于合理的复杂性假设，对经典计算机而言，对随机量子电路的输出分布进行采样被认为是困难的。谷歌曾宣布，在2017年底之前使用49个超导量子位阵列解决这一问题来证明量子至上，但到2018年1月上旬，仅有英特尔发布了此类硬件。2017年10月，IBM在传统的超级计算机上演示了56个量子比特的仿真，增加了“量子至上”性所需的量子比特数量。
2018年10月23日，谷歌宣布已经取得具有54个量子比特位的阵列的量子至上性，其中53个具有功能，它们可以用来在200秒内执行一系列操作，这种级别的计算量将需要一台超级计算机用大约10000年的时间完成。
2018年11月，谷歌宣布与美国宇航局建立合作伙伴关系，双方将分析在谷歌量子处理器上运行的量子电路的结果，并和经典仿真进行比较，以支持谷歌验证其硬件并建立“量子至上”性。
美国宇航局量子人工智能实验室主管埃莉诺·里弗尔（Eleanor Rieffel）表示：“实现量子至上意味着我们已经能够在一个算法上更快，但这并不是任何算法更快。尽管这并不是非常有用，但它所做的一切却是开创性的。”
谷歌使用了可编程的Sycamore量子处理器
该论文描述了由谷歌的Sycamore量子处理器运行的实验，以证明量子至上。
量子计算机上的计算称为“量子电路”。这些计算机科学抽象像程序一样工作，为量子处理器指定了一系列操作。量子电路是在抽象概念下，对于量子资讯储存单元（例如量子比特）进行操作的线路。它包括了量子资讯储存单元、线路（时间线），以及各种逻辑门，最后常需要量子测量将结果读取出来。
测试本身涉及在量子处理器以及传统的超级计算机上运行随机量子电路。没有量子处理器，很难从随机量子电路中获得结果。而且理论表明，即使在最大的，可想象的超级计算机上，超过一定大小的任务也可能是不可能的。需要的数据单位要多于宇宙中的原子数，这几乎是不可能完成的任务，从而使之成为量子至上性的完美测试。
美国宇航局功能强大的模块化超级计算机Electra也用于与谷歌的合作
在超级计算机无法处理之前，都交给量子处理器和超级计算机越来越复杂和随机的电路进行计算。为了找到这个极限，艾姆斯中心的研究人员使用美国宇航局的超级计算工具来模拟这些随机量子电路计算。在某个时刻，即使有美国宇航局量子计算和超级计算专家的帮助，这种模拟的“计算机中的计算机”也无法处理分配给它的随机电路，这成为谷歌量子计算机的起始计算点。
谷歌的量子计算机能够采用这些随机电路并获得结果，达到了这一基准。但是，谁能知道这个输出是否正确，以及是否真的实现了量子至上呢？用传统的超级计算机来检查它是不可能的：这个里程碑的全部意义是量子处理器完成了其它机器无法完成的工作。
美国橡树岭国家实验室的Summit超级计算机
为了验证确实实现了这一里程碑，美国宇航局和谷歌求助于美国橡树岭国家实验室，这里有世界上功能最强大的超级计算机“顶峰”（Summit）。“顶峰”于2018年6月8日建设完成，理论运算达200 PFLOPS（浮点运算速度每秒20亿亿次），超过中国峰值运算性能125 PFLOPS的神威·太湖之光超级计算机，当时，“顶峰”是世界上最快的超级计算机。在那里，他们测试了量子计算机的结果是否一直与“顶峰”输出结果匹配，直到达到量子最高极限为止。结果，他们发现确实做到了。
艾姆斯勘探技术局局长兼该论文的合著者鲁帕克·比斯瓦（Rupak Biswas）说：“自2013年以来，我们与谷歌的合作进一步揭开了量子世界中计算可能性的神秘面纱。如今，量子至上的成就是一个令人兴奋的里程碑，埃姆斯非常自豪地支持这一里程碑。”
“量子”是与其它事物相互作用所需的任何物理事物的最小量，通常是指能量或物质的最小单位。量子世界是我们看不见的，自然奇特和美丽的部分。即使您可以缩小到远远超过蚂蚁的大小的亚原子大小程度，在量子尺度上观察事物的行为也会改变其行为。尽管观察起来可能难以捉摸，但即使我们尚未理解这种现象，量子力学如何运作的背后的数学也得到了很好的理解和一致。
由于这种一致性，计算机科学家，物理学家和工程师可以创建旨在利用这些独特属性的计算机。一种称为量子叠加的方法允许单个量子位（量子计算机中的数据单位）同时以各种数量存在。量子纠缠是另一个特性，它不分距离地将两个粒子紧密地连接在一起，从而提供了在经典力学世界中无法找到的相关性。无论近在咫尺还是光年之外，两个粒子似乎都在同步跳舞。量子计算机可以使用这些关联来以传统计算机无法实现的方式存储，传输和计算信息。
实现“量子至上”里程碑，可以更快，更全面地进行实验和开发量子处理技术的能力，这在很大程度上要归功于谷歌硬件对量子操作前所未有的控制程度。
“量子至上”的成就意味着，现在存在着处理能力和控制机制，科学家可以放心地运行他们的代码，并查看超出超级计算机可以完成的工作范围而发生的事情。它也意味着，现在能够以前所未有的方式进行量子计算的实验。
里弗尔说：“ 1996年进入这一领域时，我不确定我们能走到今天这一步。现在，我们可以尝试以前无法运行的量子算法。量子计算中存在所有这些未知数，进入这个时代，我们可以探索这些未知数，并发现新的东西，真是令人兴奋。”