為什么我稱其為“量子霸權(quán)”

編譯 魏劉偉

谷歌宣稱“量子霸權(quán)”已經(jīng)實現(xiàn)，他們首次在實驗中證明了量子計算機對于傳統(tǒng)架構(gòu)計算機的優(yōu)越性：在世界第一超算 Summit 需要計算數(shù)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(jīng)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(jīng)取得了量子霸權(quán)。每個人都在談?wù)撨@件事，但這意味著什么呢？

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

事實上，“量子霸權(quán)”一詞是有爭議的，原因有二：其一，“霸權(quán)”一詞由于與“白人霸權(quán)”的聯(lián)系，引發(fā)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(shù)現(xiàn)狀的過度報道。我預(yù)料到了后者，但沒有預(yù)料到前者。無論如何這個詞已經(jīng)流行了起來，它已經(jīng)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(rèn)為“量子霸權(quán)”最能體現(xiàn)我想要表達(dá)的觀點。另一個選擇是“量子優(yōu)勢（quantum advantage）”，這個詞現(xiàn)在也得到了廣泛的應(yīng)用。但對我來說，“優(yōu)勢（advantage）”缺乏“霸權(quán)（supremacy）”的影響力。在比賽中，如果一匹馬以領(lǐng)先一個鼻子的長度取勝，它就有優(yōu)勢。相反，對于某些任務(wù)，量子計算機的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)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(jīng)典計算機比特的量子類似物）的設(shè)備，他們說，現(xiàn)在最強大的超級計算機要花費數(shù)千年的時間才能做出的計算在該設(shè)備上只需幾分鐘的量子計算就能完成。假設(shè)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(fā)展；我衷心祝賀所有參與其中的人。

正如谷歌團隊所承認(rèn)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(yōu)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(zhí)行隨機選擇的指令序列，然后對所有的量子比特進(jìn)行測量以產(chǎn)生輸出比特串。這種量子計算的結(jié)構(gòu)非常少，這使得經(jīng)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(jīng)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(jīng)證實了他們了解自己的設(shè)備，并且其表現(xiàn)是符合預(yù)期的?，F(xiàn)在我們知道硬件可以實現(xiàn)，接下來就可以開始尋找更有用的應(yīng)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(tǒng)，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(xiàn)。因此，如果我們想要使用這樣的系統(tǒng)來存儲和可靠地處理信息，我們就需要保持該系統(tǒng)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(tǒng)，并最終通過測量量子比特來獲得我們的計算結(jié)果。要建立一個滿足所有這些要求的量子系統(tǒng)是很有挑戰(zhàn)性的，而且在材料、制造、設(shè)計和控制方面已經(jīng)花費了許多年的時間才達(dá)到了我們現(xiàn)在的水平。

谷歌據(jù)稱實現(xiàn)了量子霸權(quán)的里程碑，這是尋求實用量子計算機的關(guān)鍵一步。我認(rèn)為，用一個詞來描述現(xiàn)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(guī)?！敝傅氖乾F(xiàn)在可供使用的量子計算機的大小，它足夠大，足以執(zhí)行今天的超級計算機所無法達(dá)到的某些高度專業(yè)化的任務(wù)；“有噪音”強調(diào)我們對量子比特的控制仍不完善，其導(dǎo)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(jīng)證明，現(xiàn)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(yù)示著NISQ時代的到來。

從此出發(fā)我們將何去何從？當(dāng)然，谷歌和其他硬件制造商希望為他們的量子設(shè)備找到實用的應(yīng)用程序。一臺大得多的量子計算機可能會幫助研究人員設(shè)計新材料和化學(xué)化合物，或者為機器學(xué)習(xí)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?nèi)匀粚θ绾问褂肗ISQ計算機有自己的想法，這可能會產(chǎn)生更好的優(yōu)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(shù)來了解其潛力是很有趣的。我預(yù)計量子計算機將對社會產(chǎn)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(quán)”一詞的論文中，我想知道“控制大規(guī)模量子系統(tǒng)是真的真的很難，還是難到幾乎不可能實現(xiàn)的程度？”在前一種情況下，經(jīng)過幾十年的艱苦努力，我們有可能成功地建造大規(guī)模的量子計算機。在后一種情況下，我們可能需要幾個世紀(jì)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(shù)很可能在未來的幾十年里蓬勃發(fā)展。