《自然》科學期刊一篇論文今天宣布，谷歌，美國宇航局和橡樹嶺國家實驗室合作，證明了能夠在幾秒鐘內計算的能力，這些計算用最大和最先進的超級計算機需要幾千年的時間，從而實現了稱為「量子至上」的里程碑。
美國宇航局艾姆斯研究中心的中心主任尤金·圖（Eugene Tu）說：「量子計算仍處於起步階段，但這一革命性成就使我們向前邁進了一步。今後數十年來，我們到達月球，火星及以後的任務都受到這樣創新的推動。」
量子計算是關於如何利用量子力學的獨特特性來解決某些類型的問題的研究，其速度遠遠超過傳統計算機。潛在的一種應用是美國宇航局未來有一天可以使用這些技術來支持太空任務，量子優化可以使任務時間表更加高效，而量子仿真則可以為現代太空飛行器設計輕巧耐用的材料。實現「量子至上」這一里程碑是邁向未來的第一步。
NASA艾姆斯中心的Pleiades超級計算機發現量子至上極限的眾多超級計算機之一
「量子至上」是量子計算設備解決傳統計算機實際上無法解決的問題的潛在能力。通俗來講，它是指更快解決問題的潛力，用計算複雜性理論來說，「量子至上」通常意味著在最著名或可能的經典算法上提供超多項式加速。
以「秀爾算法」為例，這是在1994年發現的，針對整數分解這題目的的量子算法。它要解決題目如下：給定一個整數N，找出它的質因數。 在一個量子計算機上面，要分解整數N，秀爾算法的運作需要多項式時間（時間是log N的某個多項式這麼長，log N在這裡的意義是輸入的文件長度）。更精確地說，這個算法花費O((log N)3)的時間，展示出質因數分解問題可以使用量子計算機以多項式時間解出。這比起傳統已知最快的因數分解算法，普通數域篩選法，其花費次指數時間還快了一個指數級別。
像分解整數一樣，基於合理的複雜性假設，對經典計算機而言，對隨機量子電路的輸出分布進行採樣被認為是困難的。谷歌曾宣布，在2017年底之前使用49個超導量子位陣列解決這一問題來證明量子至上，但到2018年1月上旬，僅有英特爾發布了此類硬體。2017年10月，IBM在傳統的超級計算機上演示了56個量子比特的仿真，增加了「量子至上」性所需的量子比特數量。
2018年10月23日，谷歌宣布已經取得具有54個量子比特位的陣列的量子至上性，其中53個具有功能，它們可以用來在200秒內執行一系列操作，這種級別的計算量將需要一台超級計算機用大約10000年的時間完成。
2018年11月，谷歌宣布與美國宇航局建立合作夥伴關係，雙方將分析在谷歌量子處理器上運行的量子電路的結果，並和經典仿真進行比較，以支持谷歌驗證其硬體並建立「量子至上」性。
美國宇航局量子人工智慧實驗室主管埃莉諾·里弗爾（Eleanor Rieffel）表示：「實現量子至上意味著我們已經能夠在一個算法上更快，但這並不是任何算法更快。儘管這並不是非常有用，但它所做的一切卻是開創性的。」
谷歌使用了可編程的Sycamore量子處理器
該論文描述了由谷歌的Sycamore量子處理器運行的實驗，以證明量子至上。
量子計算機上的計算稱為「量子電路」。這些計算機科學抽象像程序一樣工作，為量子處理器指定了一系列操作。量子電路是在抽象概念下，對於量子資訊儲存單元（例如量子比特）進行操作的線路。它包括了量子資訊儲存單元、線路（時間線），以及各種邏輯門，最後常需要量子測量將結果讀取出來。
測試本身涉及在量子處理器以及傳統的超級計算機上運行隨機量子電路。沒有量子處理器，很難從隨機量子電路中獲得結果。而且理論表明，即使在最大的，可想像的超級計算機上，超過一定大小的任務也可能是不可能的。需要的數據單位要多於宇宙中的原子數，這幾乎是不可能完成的任務，從而使之成為量子至上性的完美測試。
美國宇航局功能強大的模塊化超級計算機Electra也用於與谷歌的合作
在超級計算機無法處理之前，都交給量子處理器和超級計算機越來越複雜和隨機的電路進行計算。為了找到這個極限，艾姆斯中心的研究人員使用美國宇航局的超級計算工具來模擬這些隨機量子電路計算。在某個時刻，即使有美國宇航局量子計算和超級計算專家的幫助，這種模擬的「計算機中的計算機」也無法處理分配給它的隨機電路，這成為谷歌量子計算機的起始計算點。
谷歌的量子計算機能夠採用這些隨機電路並獲得結果，達到了這一基準。但是，誰能知道這個輸出是否正確，以及是否真的實現了量子至上呢？用傳統的超級計算機來檢查它是不可能的：這個裡程碑的全部意義是量子處理器完成了其它機器無法完成的工作。
美國橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機
為了驗證確實實現了這一里程碑，美國宇航局和谷歌求助於美國橡樹嶺國家實驗室，這裡有世界上功能最強大的超級計算機「頂峰」（Summit）。「頂峰」於2018年6月8日建設完成，理論運算達200 PFLOPS（浮點運算速度每秒20億億次），超過中國峰值運算性能125 PFLOPS的神威·太湖之光超級計算機，當時，「頂峰」是世界上最快的超級計算機。在那裡，他們測試了量子計算機的結果是否一直與「頂峰」輸出結果匹配，直到達到量子最高極限為止。結果，他們發現確實做到了。
艾姆斯勘探技術局局長兼該論文的合著者魯帕克·比斯瓦（Rupak Biswas）說：「自2013年以來，我們與谷歌的合作進一步揭開了量子世界中計算可能性的神秘面紗。如今，量子至上的成就是一個令人興奮的里程碑，埃姆斯非常自豪地支持這一里程碑。」
「量子」是與其它事物相互作用所需的任何物理事物的最小量，通常是指能量或物質的最小單位。量子世界是我們看不見的，自然奇特和美麗的部分。即使您可以縮小到遠遠超過螞蟻的大小的亞原子大小程度，在量子尺度上觀察事物的行為也會改變其行為。儘管觀察起來可能難以捉摸，但即使我們尚未理解這種現象，量子力學如何運作的背後的數學也得到了很好的理解和一致。
由於這種一致性，計算機科學家，物理學家和工程師可以創建旨在利用這些獨特屬性的計算機。一種稱為量子疊加的方法允許單個量子位（量子計算機中的數據單位）同時以各種數量存在。量子糾纏是另一個特性，它不分距離地將兩個粒子緊密地連接在一起，從而提供了在經典力學世界中無法找到的相關性。無論近在咫尺還是光年之外，兩個粒子似乎都在同步跳舞。量子計算機可以使用這些關聯來以傳統計算機無法實現的方式存儲，傳輸和計算信息。
實現「量子至上」里程碑，可以更快，更全面地進行實驗和開發量子處理技術的能力，這在很大程度上要歸功於谷歌硬體對量子操作前所未有的控制程度。
「量子至上」的成就意味著，現在存在著處理能力和控制機制，科學家可以放心地運行他們的代碼，並查看超出超級計算機可以完成的工作範圍而發生的事情。它也意味著，現在能夠以前所未有的方式進行量子計算的實驗。
里弗爾說：「 1996年進入這一領域時，我不確定我們能走到今天這一步。現在，我們可以嘗試以前無法運行的量子算法。量子計算中存在所有這些未知數，進入這個時代，我們可以探索這些未知數，並發現新的東西，真是令人興奮。」