谷歌實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”

邊策栗子

量子計(jì)算機(jī)用3分20秒完成的一項(xiàng)計(jì)算，全球最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit要花1萬年。

量子計(jì)算機(jī)用3分20秒完成的一項(xiàng)計(jì)算，非常強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit要花1萬年。

這個(gè)成果，來自谷歌最新的量子計(jì)算研究，發(fā)表在NASA官網(wǎng)上。論文宣布，“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn)了。

英國(guó)政府的量子技術(shù)顧問Steve Brierley說：“這是第一次有人證明，量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，是個(gè)了不起的成就。”另外，美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤在推特轉(zhuǎn)發(fā)了這條消息，并引起了強(qiáng)烈關(guān)注，一日便有5100人點(diǎn)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(duì)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(nèi)容？

谷歌在論文摘要中說：我們使用具有53個(gè)超導(dǎo)量子位的可編程處理器，占用狀態(tài)空間為253≈1016。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果會(huì)采樣相應(yīng)的概率分布。我們使用經(jīng)典模擬進(jìn)行驗(yàn)證。雖然我們的處理器大約需要200秒來采樣一百萬個(gè)量子電路實(shí)例，但是一臺(tái)先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)將需要大約1萬年的時(shí)間來執(zhí)行等效的任務(wù)。相對(duì)于所有已知經(jīng)典算法而言，這種巨大的提速在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)上的量子霸權(quán)，并預(yù)示了人們期待已久的計(jì)算范式的出現(xiàn)。

在摘要中，谷歌揭示了這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的原因，由于量子力學(xué)中物體的狀態(tài)是在希爾伯特空間中演化，因此只需53個(gè)量子位就可以模擬1016種狀態(tài)，而這個(gè)數(shù)字已經(jīng)超出了當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力（一般是等價(jià)于50個(gè)量子比特）。

需要指出的是，谷歌雖然實(shí)現(xiàn)了72個(gè)量子位的芯片，但這和72位量子計(jì)算機(jī)是兩回事。谷歌Bristlecone芯片是利用9個(gè)相同模式的量子比特進(jìn)行耦合，然后依次擴(kuò)展出去，并非實(shí)現(xiàn)了兩兩量子比特之間的耦合。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也面臨諸多問題。由于在于0和1兩種狀態(tài)之間的能量差太小，需要降低到絕對(duì)零度附近，才能防止被熱量所破壞。

此外，粒子之間狀態(tài)的耦合也有時(shí)間限制，時(shí)間一長(zhǎng)，兩個(gè)粒子將不再“相干”。在進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yùn)算結(jié)果將不再可信。

什么是“量子霸權(quán)”

量子霸權(quán)也叫量子優(yōu)勢(shì)，即在未來的某個(gè)時(shí)刻，功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)，比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬年才能破解的密碼、實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)的發(fā)展似乎遵循著內(nèi)文定律，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)遵循著摩爾定律。摩爾定律為大眾所熟知，即計(jì)算機(jī)芯片的晶體管密度每18個(gè)月翻一番，算力增強(qiáng)一倍，這是一種指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律。但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學(xué)極限，這一定律已經(jīng)放緩甚至失效。

而來自谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Hartmut Neven認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的速度正在以雙指數(shù)的速度增長(zhǎng)。雙指數(shù)是指數(shù)之上再加一層指數(shù)。Neven認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)存在著兩個(gè)指數(shù)優(yōu)勢(shì)：首先，量子位相比普通位具有效率優(yōu)勢(shì)，如果一個(gè)量子電路具有4個(gè)量子位，那么需要一個(gè)具有16個(gè)普通位的經(jīng)典電路才能實(shí)現(xiàn)等效的計(jì)算能力。其次，量子芯片也在快速改進(jìn)。谷歌量子芯片正在以指數(shù)級(jí)的速度發(fā)展，這種快速的改善是由于量子電路中錯(cuò)誤率的降低。而降低錯(cuò)誤率能幫助我們構(gòu)建更大的量子芯片。雙指數(shù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于指數(shù)函數(shù)，因此谷歌認(rèn)為雖然量子計(jì)算機(jī)速度現(xiàn)在遠(yuǎn)不及經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但是總有一天會(huì)超過后者。

這可不僅僅是谷歌研究人員的自賣自夸，實(shí)際上谷歌實(shí)驗(yàn)室也是按照雙指數(shù)規(guī)律的速度在推進(jìn)著：去年12月，一臺(tái)筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計(jì)算機(jī);到了今年1月，一臺(tái)功能強(qiáng)大的臺(tái)式機(jī)才可與之媲美;而到了今年2月，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)不能和量子計(jì)算機(jī)匹敵，無法再模擬后者了。

也許你會(huì)好奇，谷歌的論文為何要在NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）官網(wǎng)上發(fā)布。其實(shí)谷歌去年就已經(jīng)和NASA展開合作，并且定下目標(biāo)：要在今年實(shí)現(xiàn)所謂量子霸權(quán)，即讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

2018年7月，谷歌宣布與NASA建立合作伙伴關(guān)系，計(jì)劃將量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果，與經(jīng)典仿真進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”，而且當(dāng)時(shí)的谷歌預(yù)測(cè)在今年就可以實(shí)現(xiàn)。

雙方合作使用的量子芯片名字叫做Bristlecone，總共包含72個(gè)量子比特。由于Bristlecone需要將超導(dǎo)電路維持在絕對(duì)零度附近，因此無法將其從谷歌的實(shí)驗(yàn)室搬走。NASA研究人員只能通過谷歌的云API遠(yuǎn)程連接Bristlecone。

雙方將共同研究如何將“各種各樣的優(yōu)化和采樣問題”映射到Bristlecone量子計(jì)算系統(tǒng)上。按照雙方的約定，今年年初，他們?cè)贜ASA最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Pleiades上對(duì)運(yùn)行這些仿真所必需的軟件進(jìn)行編碼，并在合同簽訂后的12個(gè)月，即今年7月，比較量子電路仿真和谷歌量子計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)果。

創(chuàng)造歷史

幾十年來，量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域，都籠罩在一個(gè)強(qiáng)大的假設(shè)之下：任何其他類型的計(jì)算機(jī)，能夠高效完成的計(jì)算，經(jīng)典計(jì)算機(jī)也都能高效完成。這個(gè)假設(shè)，來自“廣義邱奇-圖靈論題”（Extended Church Turing Thesis）。如今，谷歌的量子計(jì)算機(jī)用3分20秒完成的計(jì)算，交給超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit，大概需要1萬年。這就打破了人類曾經(jīng)的猜想。

谷歌表示，這標(biāo)志了第一個(gè)只能用量子處理器執(zhí)行的運(yùn)算。在通往全面量子計(jì)算的路上，這是一個(gè)里程碑。量子機(jī)器的算力，將會(huì)以雙指數(shù)速度增長(zhǎng)。

量子霸權(quán)實(shí)現(xiàn)了，但故事并沒有結(jié)束。在許多人的眼里，量子霸權(quán)是一個(gè)人為設(shè)定的里程碑：只要在任何一項(xiàng)任務(wù)上，證明量子計(jì)算機(jī)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)就可以了。這就意味著，這些任意的任務(wù)不一定有現(xiàn)實(shí)意義。比如，谷歌給量子計(jì)算機(jī)的任務(wù)是：鑒定一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器，是不是真的隨機(jī)。

所以，一個(gè)里程碑之后，還有另一個(gè)里程碑要趕去。

實(shí)用性

IBM的量子計(jì)算戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人Robert Sutor，提到“量子優(yōu)勢(shì)（Quantum Advantage）”的概念，那是一個(gè)實(shí)用性的里程碑：量子優(yōu)勢(shì)，是在一個(gè)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景（比如金融服務(wù)、AI、化學(xué)），量子計(jì)算機(jī)做出了比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)要明顯優(yōu)秀的工作。

作為谷歌的對(duì)手，IBM一直在探索量子計(jì)算的應(yīng)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(duì)外開放了一臺(tái)53比特的通用量子計(jì)算機(jī)。

IBM表示，量子霸權(quán)這個(gè)詞他們并不用，也不在意。不過，谷歌研究院、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Fernando Brand?o相信：在達(dá)成量子霸權(quán)之前，量子計(jì)算機(jī)不可能做出什么有意思的事。

現(xiàn)在，就算量子計(jì)算機(jī)做的任務(wù)還沒有實(shí)際意義，研究人員還是可以從中學(xué)到經(jīng)驗(yàn)，今后開發(fā)出更有用的量子計(jì)算機(jī)。

2018年，波士頓咨詢公司（BCG）發(fā)布的報(bào)告說，量子計(jì)算機(jī)可以改變?cè)S多領(lǐng)域的游戲規(guī)則，比如密碼學(xué)和化學(xué)，對(duì)化學(xué)的影響會(huì)廣泛波及材料學(xué)，以及農(nóng)業(yè)和制藥等領(lǐng)域。人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)就更不用說了。另外，物流，制造，金融，能源……也都會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用。

這個(gè)未來，整個(gè)世界都在期待。

容錯(cuò)率

再下一個(gè)里程碑，就是造出一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。這樣的計(jì)算機(jī)，能在一項(xiàng)計(jì)算當(dāng)中實(shí)時(shí)糾正錯(cuò)誤，原則上可以實(shí)現(xiàn)無錯(cuò)的量子計(jì)算。目前，主流的方法叫做“Surface Code”，每個(gè)執(zhí)行計(jì)算的“邏輯”量子比特，都要有成千上萬個(gè)糾錯(cuò)量子比特來支持。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前量子計(jì)算的最強(qiáng)算力。

所以，量子計(jì)算到底需不需要容錯(cuò)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(gè)方向是確定的。”

不過，在走向未來之前，關(guān)于這項(xiàng)研究，還有一個(gè)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(jì)算機(jī)得出的結(jié)果是對(duì)的呢？

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）