谷歌实现“量子霸权”

边策栗子

量子计算机用3分20秒完成的一项计算，全球最强大的超级计算机Summit要花1万年。

量子计算机用3分20秒完成的一项计算，非常强大的超级计算机Summit要花1万年。

这个成果，来自谷歌最新的量子计算研究，发表在NASA官网上。论文宣布，“量子霸权”实现了。

英国政府的量子技术顾问Steve Brierley说：“这是第一次有人证明，量子计算机的性能真的能超过经典计算机，是个了不起的成就。”另外，美国民主党的总统参选人杨安泽在推特转发了这条消息，并引起了强烈关注，一日便有5100人点赞。

虽然，NASA没过多久便下架了这篇论文，但正因如此，人类反而对谷歌新的成果更加好奇了。

一窥论文

NASA匆匆撤下了论文，究竟都写了什么内容？

谷歌在论文摘要中说：我们使用具有53个超导量子位的可编程处理器，占用状态空间为253≈1016。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要200秒来采样一百万个量子电路实例，但是一台先进的超级计算机将需要大约1万年的时间来执行等效的任务。相对于所有已知经典算法而言，这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权，并预示了人们期待已久的计算范式的出现。

在摘要中，谷歌揭示了这台量子计算机强大的原因，由于量子力学中物体的状态是在希尔伯特空间中演化，因此只需53个量子位就可以模拟1016种状态，而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力（一般是等价于50个量子比特）。

需要指出的是，谷歌虽然实现了72个量子位的芯片，但这和72位量子计算机是两回事。谷歌Bristlecone芯片是利用9个相同模式的量子比特进行耦合，然后依次扩展出去，并非实现了两两量子比特之间的耦合。

量子计算机的实际应用也面临诸多问题。由于在于0和1两种状态之间的能量差太小，需要降低到绝对零度附近，才能防止被热量所破坏。

此外，粒子之间状态的耦合也有时间限制，时间一长，两个粒子将不再“相干”。在进行量子计算实验时，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保证量子操作的保真度（Fidelity），否则运算结果将不再可信。

什么是“量子霸权”

量子霸权也叫量子优势，即在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务，比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型等。

提出这一假想的原因是量子计算机的发展似乎遵循着内文定律，而经典计算机遵循着摩尔定律。摩尔定律为大众所熟知，即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番，算力增强一倍，这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至失效。

而来自谷歌量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven认为，量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数是指数之上再加一层指数。Neven认为，量子计算机比经典计算机存在着两个指数优势：首先，量子位相比普通位具有效率优势，如果一个量子电路具有4个量子位，那么需要一个具有16个普通位的经典电路才能实现等效的计算能力。其次，量子芯片也在快速改進。谷歌量子芯片正在以指数级的速度发展，这种快速的改善是由于量子电路中错误率的降低。而降低错误率能帮助我们构建更大的量子芯片。双指数的增长速度远远快于指数函数，因此谷歌认为虽然量子计算机速度现在远不及经典计算机，但是总有一天会超过后者。

这可不仅仅是谷歌研究人员的自卖自夸，实际上谷歌实验室也是按照双指数规律的速度在推进着：去年12月，一台笔记本电脑即可模拟谷歌最好的量子计算机;到了今年1月，一台功能强大的台式机才可与之媲美;而到了今年2月，经典计算机的速度已经不能和量子计算机匹敌，无法再模拟后者了。

也许你会好奇，谷歌的论文为何要在NASA（美国国家航空航天局）官网上发布。其实谷歌去年就已经和NASA展开合作，并且定下目标：要在今年实现所谓量子霸权，即让量子计算机的运算能力远远超过经典计算机。

2018年7月，谷歌宣布与NASA建立合作伙伴关系，计划将量子计算机上运行的结果，与经典仿真进行比较，实现所谓的“量子霸权”，而且当时的谷歌预测在今年就可以实现。

双方合作使用的量子芯片名字叫做Bristlecone，总共包含72个量子比特。由于Bristlecone需要将超导电路维持在绝对零度附近，因此无法将其从谷歌的实验室搬走。NASA研究人员只能通过谷歌的云API远程连接Bristlecone。

双方将共同研究如何将“各种各样的优化和采样问题”映射到Bristlecone量子计算系统上。按照双方的约定，今年年初，他们在NASA最强的超级计算机Pleiades上对运行这些仿真所必需的软件进行编码，并在合同签订后的12个月，即今年7月，比较量子电路仿真和谷歌量子计算机硬件的结果。

创造历史

几十年来，量子计算这个领域，都笼罩在一个强大的假设之下：任何其他类型的计算机，能够高效完成的计算，经典计算机也都能高效完成。这个假设，来自“广义邱奇-图灵论题”（Extended Church Turing Thesis）。如今，谷歌的量子计算机用3分20秒完成的计算，交给超级计算机Summit，大概需要1万年。这就打破了人类曾经的猜想。

谷歌表示，这标志了第一个只能用量子处理器执行的运算。在通往全面量子计算的路上，这是一个里程碑。量子机器的算力，将会以双指数速度增长。

量子霸权实现了，但故事并没有结束。在许多人的眼里，量子霸权是一个人为设定的里程碑：只要在任何一项任务上，证明量子计算机超过经典计算机就可以了。这就意味着，这些任意的任务不一定有现实意义。比如，谷歌给量子计算机的任务是：鉴定一个随机数生成器，是不是真的随机。

所以，一个里程碑之后，还有另一个里程碑要赶去。

实用性

IBM的量子计算战略负责人Robert Sutor，提到“量子优势（Quantum Advantage）”的概念，那是一个实用性的里程碑：量子优势，是在一个真实应用场景（比如金融服务、AI、化学），量子计算机做出了比任何经典计算机要明显优秀的工作。

作为谷歌的对手，IBM一直在探索量子计算的应用，与摩根大通、梅赛德斯奔驰都有这一方面的合作。最近他们还在线上对外开放了一台53比特的通用量子计算机。

IBM表示，量子霸权这个词他们并不用，也不在意。不过，谷歌研究院、加州理工学院的理论物理学家Fernando Brandão相信：在达成量子霸权之前，量子计算机不可能做出什么有意思的事。

现在，就算量子计算机做的任务还没有实际意义，研究人员还是可以从中学到经验，今后开发出更有用的量子计算机。

2018年，波士顿咨询公司（BCG）发布的报告说，量子计算机可以改变许多领域的游戏规则，比如密码学和化学，对化学的影响会广泛波及材料学，以及农业和制药等领域。人工智能，机器学习就更不用说了。另外，物流，制造，金融，能源……也都会出现新的应用。

这个未来，整个世界都在期待。

容错率

再下一个里程碑，就是造出一台容错的量子计算机。这样的计算机，能在一项计算当中实时纠正错误，原则上可以实现无错的量子计算。目前，主流的方法叫做“Surface Code”，每个执行计算的“逻辑”量子比特，都要有成千上万个纠错量子比特来支持。这远远超出了当前量子计算的最强算力。

所以，量子计算到底需不需要容错能力，也是值得讨论的问题。来自谷歌的Fernando Brandão说：“有许多思路可走，但没有哪个方向是确定的。”

不过，在走向未来之前，关于这项研究，还有一个直击灵魂的问题：如果说，超算要1万年才能算好，怎么才能知道量子计算机得出的结果是对的呢？

（编辑 宦菁 huanjing0511@sohu.com）