2011年，加州理工学院理论物理学家John Preskill首次提出“量子霸权”概念，即在计算特定任务时，量子计算对经典计算有着压倒性优势。但在2019年之前，这个概念只存在于理论中。
直到谷歌的第一台量子计算机“悬铃木”宣布，对一个53比特、20深度的电路采样一百万次只需200秒，而最强的经典超级计算机Summit要得到类似的结果则需要一万年。
这一消息震惊了当时的整个计算机领域。尽管谷歌得出的这个“差距”备受争议，却首次让全球看到了量子计算落地的真实可能性。
6月14日，谷歌在量子计算方面最主要的竞争对手IBM与加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室在《自然》杂志上发表了一项新的研究，表明量子计算机将很快在像计算材料的性质或基本粒子的相互作用等现实任务上，击败普通计算机——无需进行纠错就可超越经典计算，这标志着量子计算向实际应用跨近一步。
量子与量子计算
16世纪以来，世界科技大致发生了五次革命，包括两次科学革命和三次技术革命。第一次科学革命以经典力学为代表，在伽利略等科学家们的基础之上，实现了自然科学的第一次大综合，成为之后的两次工业革命的理论基础。
第二次科技革命以量子力学和相对论为标志，20世纪初的科学家们发现，牛顿的经典力学只能用于宏观、低速（相对于光速）的情形下，在微观世界和接近光速以及强引力场下无能为力，于是量子力学和相对论诞生了。
从此，人类进入了信息时代。当量子力学被应用到固体等复杂体系时，它解释了材料为何有导体、半导体和绝缘体之分，并提出了半导体二极管、三极管等概念，后来发展为集成电路，成为现代电子计算机的技术基础。
量子和量子计算，究竟分别是什么？又有什么具体区别？
量子是一个现代物理学的重要概念，被认为是组成浩瀚宇宙、世间万物最小的、不可再分割的物理量单位。比如太阳光，是由光子组成，而光子所携带的能量目前还不能被进一步分割，所以光子可以叫做量子。此外，电子、中微子和夸克也都可以叫做量子。
量子的物理特性，与自然界中的物体完全不同。比如：量子既可以像被踢出的足球一样在空中沿曲线飞行，也可以像水波一样上下波动地向前飞行；又比如将一只饮料瓶静置在水平桌面上，瓶子只能保持“正立”“倒立”和“横躺”这三种状态中的一种，而同样静置桌面的量子，却可以同时保持“正立”“倒立”和“横躺”这三种状态。
100多年前，普朗克、爱因斯坦等著名物理学家，发现了这些微观粒子特有的物理特性，并最终将这些特性总结为现代物理两大理论基石之一的“量子力学”。诺贝尔奖得主李政道说过：“如果没有狭义相对论和量子力学的诞生，就不会有后来的原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等一切科学文化的发展。”我们可以把基于量子力学原理进行信息化应用的技术，统称为量子信息技术，主要包含量子计算、量子通信和量子测量。
量子计算是基于量子力学原理，通过控制一定数量的量子单元，来进行计算的一种新型计算模式。而量子计算机，正是用来实现和使用量子计算能力的计算机系统。
天才物理学家理查德·费曼是提出量子计算设想的第一人。1981年，物理学家爱德华·弗雷德金组织了一次“物理与计算”会议，费曼应邀作了“用计算机模拟物理”的报告。费曼在报告中提出了两个问题：经典计算机是否能够有效地模拟量子系统？答案是否定的，因为计算量将随着系统的增大（微观粒子数的增加）而指数式增加。如果从微观世界的规律开始计算，由于研究对象包含的粒子数非常大，经典计算机的计算能力已经不能胜任这项工作。如果放弃经典的图灵机模型，是否可以做得更好？费曼认为要想模拟这个量子行为的世界，就得研究微观世界的量子是如何工作的，然后建造一个按照量子力学的规律来运行的计算机才能成功模拟它。
费曼成为将物理学和计算机理论联系到一起的第一个人。由此，基于量子力学的新型计算机的研究被提上了科学发展的历程。
20世纪90年代以来，量子计算机的算法发展得到巨大的进步。在量子算法的研究中，出现了三个里程碑式的重要算法：Shor算法、Grove算法和HHL算法。
其中，Shor算法也叫质因数分解算法，是一种用来破解RSA加密的量子算法。RSA加密算法是1977年由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman一起提出的。该算法基于一个简单的数论事实：将两个质数相乘较为容易，反过来，将其乘积进行因式分解而找到构成它的质数却非常困难。例如，计算17×37=629是很容易的事，但是，如果反过来先给629，再找出它的因子就比较困难。并且，正向计算与逆向计算难度的差异随着数值的增大而急剧增大。
对经典计算机而言，破解高位数的RSA密码基本不可能。我们现在常用的智能手机、笔记本电脑、工控机、服务器等普通计算机，最小计算单元是中央处理器上的一个晶体管，可以表示的数值是0或1。当晶体管通电时，表示1，当晶体管断电时，表示0。一个晶体管在经典计算原理中，代表一个二进制数位，叫做比特。例如，一个每秒能做1012次运算的机器，破解一个300位的RSA密码需要15万年。
而量子计算机的最小计算单元是量子计算机核心组件量子处理器上的一个量子，可以表示的数值可以是0，或者1，或者是0和1的一系列概率上的组合。一个量子在量子计算原理中，代表一个最小计量单位，叫做量子比特。
总之，一个量子，可以表示的计算数值，比一个晶体管要多很多。原因是量子的“叠加态”特性，一个量子可以同时保持多种状态，意味着它可以同时表示多个计算数值。
相较于普通计算机，就计算能力而言，仅拥有约50个量子的量子计算机，在完成特定计算任务时，已经可以比现在算力最强的经典计算机快数千倍，甚至数万倍以上。据美国国家科学、工程和医学院2018年发表的量子计算报告预测，运行Shor算法的量子计算机将能够在一天内破解RSA 1024位加密。破解300位的密码，不过是一眨眼的时间。
在应用领域方面，业界一般认为，当前的量子计算机相较于经典计算机，也会在材料和药物研发，金融投资组合优化，物流调度，机器学习训练，气象预测等领域被更广泛地应用。
不过，由于量子计算机的实现原理，在目前量子计算机的研发过程中，存在一个重大的难题：噪声问题。具体来说，就是在操作量子进行计算的时候，量子本身的稳定性、量子之间相互的影响以及操控动作本身，均会产生计算任务本身不必要的干扰，而这些干扰会直接影响计算结果的准确性，甚至会造成计算中断和失败。
虽然科学家在不断改进量子的退相干和纠错技术，提高计算准确的概率，但依然达不到100%。当前的量子计算机还不能直接计算出一个结果，只能在一定的概率下，通过观测得到一个确定的结果。就好比让现在的量子计算机计算“1+1”，只有一定的概率可以得到2的结果，更不要说让量子计算机来计算更复杂的问题了。虽然经典计算机也会算错，但经典芯片已具备自动发现错误和修复的能力，因此最终可以得到准确结果。所以在精确的数值计算问题和逻辑判定问题上，当前水平的量子计算机并比不上经典计算机。
而14日IBM发布的最新研究结果表明，即使是嘈杂的量子计算机，其计算也可以比传统机器更准确。IBM的研究人员通过抑制错误而不是纠正错误，获得有效的计算：他们利用一种称为“误差缓解”的技术，成功地克服了当今量子比特存在的问题，尽管系统存在噪声，但也产生了准确的结果。
量子计算中存在的不可靠难题，也似乎找到了可行的解决办法。但从现实的角度判断，目前公布的量子计算机，更像是原型机和技术验证机，各项技术、工艺，以及产业链都还不稳定，更谈不到完善。
普通人也能用？
截至目前，全球宣布实现“量子霸权”的量子计算机有四台，分别是美国谷歌的超导计算机“悬铃木”、加拿大Xanadu的光量子计算机Borealis、中国光量子路线的“九章”和超导路线的“祖冲之号”。
5月31日，全球首个具有实现量子优越性潜力的量子计算云平台对外开放，提供算力服务的是“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机。
联网就能用上量子计算机？这一梦想正走进现实。这不仅刷新了我国云平台的超导量子计算机比特数纪录，也是国际上首个在超导量子路线上具有实现量子优越性潜力、对外开放的量子计算云平台，将进一步推动量子计算软硬件发展及生态建设。
据中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算总师朱晓波介绍，中国科大“祖冲之号”研发团队在原“祖冲之号”66比特的芯片基础上做出提升，新增了110个耦合比特的控制接口，使得用户可操纵的量子比特数达到176比特。除了比特规模，在其他涉及量子计算机性能的连通性、保真度、相干时间等关键指标上，“祖冲之号”云平台接入的新一代量子计算机的设计指标也瞄准国际最高水平，不断在实际中调试提升其性能。
朱晓波表示：“有望在2026年实现1000比特量子计算能力，保真度达6个9，即错误率为百万分之一，预计到2033年，实现可纠错的百万比特量子计算，且可应用于实际问题。”
电影《流浪地球2》中，几乎无所不能的超级计算机MOSS出现于2058年，或许，这一次现实将跑赢科幻。
如今，全球掀起一场“算力战争”，量子计算成为各国科技竞争的主要战场，关于生态和产业链的“量子暗战”也已打响。当前的信息处理手段越来越跟不上数据的爆炸式增长，不管是科学界还是产业界，都亟待下一代革命性的数据处理方法。量子计算机提供了全新的解决问题方式，超导量子计算方向各国比较看重也是投入最多的一个领域。
近年来，沿着各条技术路线，量子计算机原型机的研发都取得了长足进展。其中，超导量子计算机路线最为耀眼，一如既往地领跑。超导量子计算是固态量子计算的一个分支，它使用超导量子位作为人造原子或量子点来实现超导电子电路。目前国内外的科技公司大都选择了超导路线进行长期布局和投入，在2022年均有不俗的成绩单。
全球知名市场研究分析机构CB Insights近日出具的一份报告透露了谷歌、微软、亚马逊、IBM和英特尔雄心勃勃的量子路线图，比如谷歌正尝试利用量子计算，在其整个业务中推进人工智能计划，甚至为此开发了用于构建量子机器学习模型的开放的源代码平台TensorFlow quantum；IBM则拥有100多项量子计算专利，是其他几家大型公司之和。英伟达早在去年便发布了用于加速量子计算的软件开发工具包cuQuantum，并与IBM、Xanadu等多家公司合作，以不断扩大的生态系统和生态协作进入量子计算市场，创建量子计算的编程模型。据外媒报道，6月16日，芯片制造商英特尔发布了名为Tunnel Falls的量子芯片，Tunnel Falls包含有12个硅自旋量子比特，在其 D1 制造工厂里生产，利用了该公司最先进的晶体管工业化制造能力。
传统计算机技术如今已发展了多年，而量子计算机的出现则代表了一个全新的计算时代的开端。“量子霸权”的实现将彻底改变人类对计算能力的理解和期待，未来，利用量子技术产生的成果将越来越多地应用到日常生活中。
