谷歌實現“量子霸權”

邊策栗子

量子計算機用3分20秒完成的一項計算，全球最強大的超級計算機Summit要花1萬年。

量子計算機用3分20秒完成的一項計算，非常強大的超級計算機Summit要花1萬年。

這個成果，來自谷歌最新的量子計算研究，發表在NASA官網上。論文宣布，“量子霸權”實現了。

英國政府的量子技術顧問Steve Brierley說：“這是第一次有人證明，量子計算機的性能真的能超過經典計算機，是個了不起的成就。”另外，美國民主黨的總統參選人楊安澤在推特轉發了這條消息，并引起了強烈關注，一日便有5100人點贊。

雖然，NASA沒過多久便下架了這篇論文，但正因如此，人類反而對谷歌新的成果更加好奇了。

一窺論文

NASA匆匆撤下了論文，究竟都寫了什么內容？

谷歌在論文摘要中說：我們使用具有53個超導量子位的可編程處理器，占用狀態空間為253≈1016。重復實驗的測量結果會采樣相應的概率分布。我們使用經典模擬進行驗證。雖然我們的處理器大約需要200秒來采樣一百萬個量子電路實例，但是一臺先進的超級計算機將需要大約1萬年的時間來執行等效的任務。相對于所有已知經典算法而言，這種巨大的提速在實驗中實現了計算任務上的量子霸權，并預示了人們期待已久的計算范式的出現。

在摘要中，谷歌揭示了這臺量子計算機強大的原因，由于量子力學中物體的狀態是在希爾伯特空間中演化，因此只需53個量子位就可以模擬1016種狀態，而這個數字已經超出了當今超級計算機的運算能力（一般是等價于50個量子比特）。

需要指出的是，谷歌雖然實現了72個量子位的芯片，但這和72位量子計算機是兩回事。谷歌Bristlecone芯片是利用9個相同模式的量子比特進行耦合，然后依次擴展出去，并非實現了兩兩量子比特之間的耦合。

量子計算機的實際應用也面臨諸多問題。由于在于0和1兩種狀態之間的能量差太小，需要降低到絕對零度附近，才能防止被熱量所破壞。

此外，粒子之間狀態的耦合也有時間限制，時間一長，兩個粒子將不再“相干”。在進行量子計算實驗時，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保證量子操作的保真度（Fidelity），否則運算結果將不再可信。

什么是“量子霸權”

量子霸權也叫量子優勢，即在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經典計算機幾乎不可能完成的任務，比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智能、快速模擬分子模型等。

提出這一假想的原因是量子計算機的發展似乎遵循著內文定律，而經典計算機遵循著摩爾定律。摩爾定律為大眾所熟知，即計算機芯片的晶體管密度每18個月翻一番，算力增強一倍，這是一種指數增長的規律。但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經放緩甚至失效。

而來自谷歌量子人工智能實驗室的負責人Hartmut Neven認為，量子計算機的速度正在以雙指數的速度增長。雙指數是指數之上再加一層指數。Neven認為，量子計算機比經典計算機存在著兩個指數優勢：首先，量子位相比普通位具有效率優勢，如果一個量子電路具有4個量子位，那么需要一個具有16個普通位的經典電路才能實現等效的計算能力。其次，量子芯片也在快速改進。谷歌量子芯片正在以指數級的速度發展，這種快速的改善是由于量子電路中錯誤率的降低。而降低錯誤率能幫助我們構建更大的量子芯片。雙指數的增長速度遠遠快于指數函數，因此谷歌認為雖然量子計算機速度現在遠不及經典計算機，但是總有一天會超過后者。

這可不僅僅是谷歌研究人員的自賣自夸，實際上谷歌實驗室也是按照雙指數規律的速度在推進著：去年12月，一臺筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計算機;到了今年1月，一臺功能強大的臺式機才可與之媲美;而到了今年2月，經典計算機的速度已經不能和量子計算機匹敵，無法再模擬后者了。

也許你會好奇，谷歌的論文為何要在NASA（美國國家航空航天局）官網上發布。其實谷歌去年就已經和NASA展開合作，并且定下目標：要在今年實現所謂量子霸權，即讓量子計算機的運算能力遠遠超過經典計算機。

2018年7月，谷歌宣布與NASA建立合作伙伴關系，計劃將量子計算機上運行的結果，與經典仿真進行比較，實現所謂的“量子霸權”，而且當時的谷歌預測在今年就可以實現。

雙方合作使用的量子芯片名字叫做Bristlecone，總共包含72個量子比特。由于Bristlecone需要將超導電路維持在絕對零度附近，因此無法將其從谷歌的實驗室搬走。NASA研究人員只能通過谷歌的云API遠程連接Bristlecone。

雙方將共同研究如何將“各種各樣的優化和采樣問題”映射到Bristlecone量子計算系統上。按照雙方的約定，今年年初，他們在NASA最強的超級計算機Pleiades上對運行這些仿真所必需的軟件進行編碼，并在合同簽訂后的12個月，即今年7月，比較量子電路仿真和谷歌量子計算機硬件的結果。

創造歷史

幾十年來，量子計算這個領域，都籠罩在一個強大的假設之下：任何其他類型的計算機，能夠高效完成的計算，經典計算機也都能高效完成。這個假設，來自“廣義邱奇-圖靈論題”（Extended Church Turing Thesis）。如今，谷歌的量子計算機用3分20秒完成的計算，交給超級計算機Summit，大概需要1萬年。這就打破了人類曾經的猜想。

谷歌表示，這標志了第一個只能用量子處理器執行的運算。在通往全面量子計算的路上，這是一個里程碑。量子機器的算力，將會以雙指數速度增長。

量子霸權實現了，但故事并沒有結束。在許多人的眼里，量子霸權是一個人為設定的里程碑：只要在任何一項任務上，證明量子計算機超過經典計算機就可以了。這就意味著，這些任意的任務不一定有現實意義。比如，谷歌給量子計算機的任務是：鑒定一個隨機數生成器，是不是真的隨機。

所以，一個里程碑之后，還有另一個里程碑要趕去。

實用性

IBM的量子計算戰略負責人Robert Sutor，提到“量子優勢（Quantum Advantage）”的概念，那是一個實用性的里程碑：量子優勢，是在一個真實應用場景（比如金融服務、AI、化學），量子計算機做出了比任何經典計算機要明顯優秀的工作。

作為谷歌的對手，IBM一直在探索量子計算的應用，與摩根大通、梅賽德斯奔馳都有這一方面的合作。最近他們還在線上對外開放了一臺53比特的通用量子計算機。

IBM表示，量子霸權這個詞他們并不用，也不在意。不過，谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家Fernando Brand?o相信：在達成量子霸權之前，量子計算機不可能做出什么有意思的事。

現在，就算量子計算機做的任務還沒有實際意義，研究人員還是可以從中學到經驗，今后開發出更有用的量子計算機。

2018年，波士頓咨詢公司（BCG）發布的報告說，量子計算機可以改變許多領域的游戲規則，比如密碼學和化學，對化學的影響會廣泛波及材料學，以及農業和制藥等領域。人工智能，機器學習就更不用說了。另外，物流，制造，金融，能源……也都會出現新的應用。

這個未來，整個世界都在期待。

容錯率

再下一個里程碑，就是造出一臺容錯的量子計算機。這樣的計算機，能在一項計算當中實時糾正錯誤，原則上可以實現無錯的量子計算。目前，主流的方法叫做“Surface Code”，每個執行計算的“邏輯”量子比特，都要有成千上萬個糾錯量子比特來支持。這遠遠超出了當前量子計算的最強算力。

所以，量子計算到底需不需要容錯能力，也是值得討論的問題。來自谷歌的Fernando Brand?o說：“有許多思路可走，但沒有哪個方向是確定的。”

不過，在走向未來之前，關于這項研究，還有一個直擊靈魂的問題：如果說，超算要1萬年才能算好，怎么才能知道量子計算機得出的結果是對的呢？

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）