為什么我稱其為“量子霸權”

編譯 魏劉偉

谷歌宣稱“量子霸權”已經實現，他們首次在實驗中證明了量子計算機對于傳統架構計算機的優越性：在世界第一超算 Summit 需要計算數千年的實驗中，谷歌的量子計算機只用了幾分鐘。研究人員終于擁有了一臺性能超過經典計算機的量子計算機，但這到底意味著什么？

谷歌量子計算實驗室在最近的一篇論文中宣布，該公司已經取得了量子霸權。每個人都在談論這件事，但這意味著什么呢？

在2012年，我提出了“量子霸權（quantum supremacy）”這個詞來形容量子計算機可以做到經典計算機所做不到的事情，而不管這些任務是否有意義。通過這個新術語，我想強調，這是我們星球歷史上的一個特權時期，基于量子物理學原理的信息技術正在崛起。

事實上，“量子霸權”一詞是有爭議的，原因有二：其一，“霸權”一詞由于與“白人霸權”的聯系，引發了一種令人厭惡的政治立場；另一個原因是這個詞加劇了對量子技術現狀的過度報道。我預料到了后者，但沒有預料到前者。無論如何這個詞已經流行了起來，它已經被谷歌AI量子團隊特別熱情地接受了。

有其他幾個選項我曾考慮卻沒有采用，我認為“量子霸權”最能體現我想要表達的觀點。另一個選擇是“量子優勢（quantum advantage）”，這個詞現在也得到了廣泛的應用。但對我來說，“優勢（advantage）”缺乏“霸權（supremacy）”的影響力。在比賽中，如果一匹馬以領先一個鼻子的長度取勝，它就有優勢。相反，對于某些任務，量子計算機的速度遠遠超過了經典計算機的速度。至少理論上是這樣的。

最近的谷歌論文說明了這一點。他們使用了一個含有53個量子比特（經典計算機比特的量子類似物）的設備，他們說，現在最強大的超級計算機要花費數千年的時間才能做出的計算在該設備上只需幾分鐘的量子計算就能完成。假設這是真的，這就是實驗物理方面的一項了不起的成就，也證明了量子計算硬件的飛速發展；我衷心祝賀所有參與其中的人。

正如谷歌團隊所承認的，問題在于，他們的機器以驚人的速度所解決的問題是為了展示量子計算機的優越性而精心選擇出來的。而這些問題并不是一些令人感興趣的實際問題。簡而言之，量子計算機執行隨機選擇的指令序列，然后對所有的量子比特進行測量以產生輸出比特串。這種量子計算的結構非常少，這使得經典計算機很難與之相比，但也意味著給出的答案并不能提供太多的信息。

然而，這種展示仍然意義重大。通過檢查他們的量子計算機的輸出是否與一臺經典超級計算機的輸出相一致（在不需要幾千年的情況下），這個團隊已經證實了他們了解自己的設備，并且其表現是符合預期的?，F在我們知道硬件可以實現，接下來就可以開始尋找更有用的應用程序了。

為什么對硬件性能的驗證如此重要？這是因為精確控制量子計算機是出了名的困難。從某種意義上說，僅僅看一眼量子系統，都不可避免地會擾亂它，這是著名的海森堡不確定性原理的一種表現。因此，如果我們想要使用這樣的系統來存儲和可靠地處理信息，我們就需要保持該系統與外部世界幾乎完全隔離。同時，我們希望量子比特能夠相互作用，以便我們可以處理信息；我們還需要從外部控制系統，并最終通過測量量子比特來獲得我們的計算結果。要建立一個滿足所有這些要求的量子系統是很有挑戰性的，而且在材料、制造、設計和控制方面已經花費了許多年的時間才達到了我們現在的水平。

谷歌據稱實現了量子霸權的里程碑，這是尋求實用量子計算機的關鍵一步。我認為，用一個詞來描述現在即將到來的時代是有意義的，所以我最近編了一個詞：NISQ（與risk押韻），這代表“有噪音的中尺度量子”（noisy intermediate-scale quantum）。這里的“中等規模”指的是現在可供使用的量子計算機的大小，它足夠大，足以執行今天的超級計算機所無法達到的某些高度專業化的任務；“有噪音”強調我們對量子比特的控制仍不完善，其導致的小錯誤會隨著時間的推移而累積；如果我們試圖計算太長時間，我們就不太可能得到正確的答案。

谷歌團隊顯然已經證明，現在有可能建造一臺足夠大、足夠精確的量子機器來解決我們以前無法解決的問題，這預示著NISQ時代的到來。

從此出發我們將何去何從？當然，谷歌和其他硬件制造商希望為他們的量子設備找到實用的應用程序。一臺大得多的量子計算機可能會幫助研究人員設計新材料和化學化合物，或者為機器學習制造更好的工具，但一臺幾百個量子比特的高噪音量子計算機可能無法提供任何有用的東西。盡管如此，我們仍然對如何使用NISQ計算機有自己的想法，這可能會產生更好的優化方法或更精確的物理模擬，但我們不確定這些方法是否會成功。通過使用NISQ技術來了解其潛力是很有趣的。我預計量子計算機將對社會產生革命性的影響，但這可能還需要幾十年的時間。

在2012年引入了“量子霸權”一詞的論文中，我想知道“控制大規模量子系統是真的真的很難，還是難到幾乎不可能實現的程度？”在前一種情況下，經過幾十年的艱苦努力，我們有可能成功地建造大規模的量子計算機。在后一種情況下，我們可能需要幾個世紀才能成功?！惫雀鑸F隊最近取得的成就增強了我們的信心，即量子計算僅僅是非常非常困難的。如果是這樣的話，大量的量子技術很可能在未來的幾十年里蓬勃發展。