为什么我称其为“量子霸权”

编译 魏刘伟

谷歌宣称“量子霸权”已经实现，他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性：在世界第一超算 Summit 需要计算数千年的实验中，谷歌的量子计算机只用了几分钟。研究人员终于拥有了一台性能超过经典计算机的量子计算机，但这到底意味着什么？

谷歌量子计算实验室在最近的一篇论文中宣布，该公司已经取得了量子霸权。每个人都在谈论这件事，但这意味着什么呢？

在2012年，我提出了“量子霸权（quantum supremacy）”这个词来形容量子计算机可以做到经典计算机所做不到的事情，而不管这些任务是否有意义。通过这个新术语，我想强调，这是我们星球历史上的一个特权时期，基于量子物理学原理的信息技术正在崛起。

事实上，“量子霸权”一词是有争议的，原因有二：其一，“霸权”一词由于与“白人霸权”的联系，引发了一种令人厌恶的政治立场；另一个原因是这个词加剧了对量子技术现状的过度报道。我预料到了后者，但没有预料到前者。无论如何这个词已经流行了起来，它已经被谷歌AI量子团队特别热情地接受了。

有其他几个选项我曾考虑却没有采用，我认为“量子霸权”最能体现我想要表达的观点。另一个选择是“量子优势（quantum advantage）”，这个词现在也得到了广泛的应用。但对我来说，“优势（advantage）”缺乏“霸权（supremacy）”的影响力。在比赛中，如果一匹马以领先一个鼻子的长度取胜，它就有优势。相反，对于某些任务，量子计算机的速度远远超过了经典计算机的速度。至少理论上是这样的。

最近的谷歌论文说明了这一点。他们使用了一个含有53个量子比特（经典计算机比特的量子类似物）的设备，他们说，现在最强大的超级计算机要花费数千年的时间才能做出的计算在该设备上只需几分钟的量子计算就能完成。假设这是真的，这就是实验物理方面的一项了不起的成就，也证明了量子计算硬件的飞速发展；我衷心祝贺所有参与其中的人。

正如谷歌团队所承认的，问题在于，他们的机器以惊人的速度所解决的问题是为了展示量子计算机的优越性而精心选择出来的。而这些问题并不是一些令人感兴趣的实际问题。简而言之，量子计算机执行随机选择的指令序列，然后对所有的量子比特进行测量以产生输出比特串。这种量子计算的结构非常少，这使得经典计算机很难与之相比，但也意味着给出的答案并不能提供太多的信息。

然而，这种展示仍然意义重大。通过检查他们的量子计算机的输出是否与一台经典超级计算机的输出相一致（在不需要几千年的情况下），这个团队已经证实了他们了解自己的设备，并且其表现是符合预期的。现在我们知道硬件可以实现，接下来就可以开始寻找更有用的应用程序了。

为什么对硬件性能的验证如此重要？这是因为精确控制量子计算机是出了名的困难。从某种意义上说，仅仅看一眼量子系统，都不可避免地会扰乱它，这是著名的海森堡不确定性原理的一种表现。因此，如果我们想要使用这样的系统来存储和可靠地处理信息，我们就需要保持该系统与外部世界几乎完全隔离。同时，我们希望量子比特能够相互作用，以便我们可以处理信息；我们还需要从外部控制系统，并最终通过测量量子比特来获得我们的计算结果。要建立一个满足所有这些要求的量子系统是很有挑战性的，而且在材料、制造、设计和控制方面已经花费了许多年的时间才达到了我们现在的水平。

谷歌据称实现了量子霸权的里程碑，这是寻求实用量子计算机的关键一步。我认为，用一个词来描述现在即将到来的时代是有意义的，所以我最近编了一个词：NISQ（与risk押韵），这代表“有噪音的中尺度量子”（noisy intermediate-scale quantum）。这里的“中等规模”指的是现在可供使用的量子计算机的大小，它足够大，足以执行今天的超级计算机所无法达到的某些高度专业化的任务；“有噪音”强调我们对量子比特的控制仍不完善，其导致的小错误会随着时间的推移而累积；如果我们试图计算太长时间，我们就不太可能得到正确的答案。

谷歌团队显然已经证明，现在有可能建造一台足够大、足够精确的量子机器来解决我们以前无法解决的问题，这预示着NISQ时代的到来。

从此出发我们将何去何从？当然，谷歌和其他硬件制造商希望为他们的量子设备找到实用的应用程序。一台大得多的量子计算机可能会帮助研究人员设计新材料和化学化合物，或者为机器学习制造更好的工具，但一台几百个量子比特的高噪音量子计算机可能无法提供任何有用的东西。尽管如此，我们仍然对如何使用NISQ计算机有自己的想法，这可能会产生更好的优化方法或更精确的物理模拟，但我们不确定这些方法是否会成功。通过使用NISQ技术来了解其潜力是很有趣的。我预计量子计算机将对社会产生革命性的影响，但这可能还需要几十年的时间。

在2012年引入了“量子霸权”一词的论文中，我想知道“控制大规模量子系统是真的真的很难，还是难到几乎不可能实现的程度？”在前一种情况下，经过几十年的艰苦努力，我们有可能成功地建造大规模的量子计算机。在后一种情况下，我们可能需要几个世纪才能成功。”谷歌团队最近取得的成就增强了我们的信心，即量子计算仅仅是非常非常困难的。如果是这样的话，大量的量子技术很可能在未来的几十年里蓬勃发展。