本文來自公眾號量子位（ID:QbitAI），作者栗子，原標題《200 秒=超算 1 萬年，Google 實現(xiàn)「量子霸權」論文上架隨即被撤回，引發(fā)全球熱議》，愛范兒經(jīng)授權發(fā)布。
量子計算機用 3 分 20 秒完成的一項計算，全球最強大的超算 Summit 要花 1 萬年。
這個成果，來自 Google 最新的量子計算研究，發(fā)表在 NASA 官網(wǎng)上。論文宣布，「量子霸權」實現(xiàn)了。
英國政府的量子技術顧問 Steve Brierley 說：
這是第一次有人證明，量子計算機的性能真的能超過經(jīng)典計算機。
是個了不起的成就。
另外，美國民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤，推特轉發(fā)了這則，引起強烈關注，一日便有 5100 人點贊：
大事啊，至少說明，沒有什么破解不了的密碼了。
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 Google 新的成果更加好奇了。
一窺論文
NASA 匆匆撤下了論文，我們?nèi)匀荒軓木W(wǎng)頁緩存中一窺論文的內(nèi)容。
Google 在論文摘要中說：
我們使用具有 53 個超導量子位的可編程處理器，占用狀態(tài)空間為 253≈1016。重復實驗的測量結果會采樣相應的概率分布。
我們使用經(jīng)典模擬進行驗證。雖然我們的處理器大約需要 200 秒來采樣一百萬個量子電路實例，但是一臺先進的超級計算機將需要大約 1 萬年的時間來執(zhí)行等效的任務。
相對于所有已知經(jīng)典算法而言，這種巨大的提速在實驗中實現(xiàn)了計算任務上的量子霸權，并預示了人們期待已久的計算范式的出現(xiàn)。
在摘要中，Google 揭示了這臺量子計算機強大的原因，由于量子力學中物體的狀態(tài)是在希爾伯特空間中演化，因此只需 53 個量子位就可以模擬 1016 種狀態(tài)，而這個數(shù)字已經(jīng)超出了當今超級計算機的運算能力（一般是等價于 50 個量子比特）。
主要指出的是 Google 雖然實現(xiàn)了 72 個量子位的芯片，但這和 72 位量子計算機是兩回事。GoogleBristlecone 芯片是利用 9 個相同模式的量子比特進行耦合，然后依次擴展出去，并非實現(xiàn)了兩兩量子比特之間的耦合。
量子計算機的實際應用也面臨諸多問題。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)的耦合也有時間限制，時間一長，兩個粒子將不再「相干」。在進行量子計算實驗時，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），否則運算結果將不再可信。
今年 3 月，Google 在一篇論文中給出了如下的量子計算機演化概念圖：
這張圖顯示了量子計算錯誤率和量子比特數(shù)之間的關系。Google 量子人工智能實驗室的預期研究方向為圖中紅色曲線，他們希望通過建立糾錯量子計算機，降低錯誤率，從而將這項技術推入右下角的綠色可用區(qū)域。
什么是量子霸權
量子霸權，也叫量子優(yōu)勢，即在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的任務。
比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現(xiàn)通用人工智能、快速模擬分子模型。
提出這一假想的原因是，量子計算機的發(fā)展似乎遵循著「內(nèi)文定律」，而經(jīng)典計算機遵循著「摩爾定律」。
▲提出內(nèi)文定律的 Hartmut Neven
摩爾定律為大眾所熟知，即計算機芯片的晶體管密度每 18 個月翻一番，算力增強一倍，這是一種指數(shù)增長的規(guī)律。但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經(jīng)放緩甚至失效。
而來自 Google 量子人工智能實驗室的負責人 Hartmut Neven 認為，量子計算機的速度正在以雙指數(shù)的速度增長。雙指數(shù)是指數(shù)之上再加一層指數(shù)，形式如下：
Neven 認為，量子計算機比經(jīng)典計算機存在著兩個指數(shù)優(yōu)勢：
首先，量子位相比普通位具有效率優(yōu)勢，如果一個量子電路具有 4 個量子位，那么需要一個具有 16 個普通位的經(jīng)典電路才能實現(xiàn)等效的計算能力。
其次，量子芯片也在快速改進。Google 量子芯片正在以指數(shù)級的速度發(fā)展，這種快速的改善是由于量子電路中錯誤率的降低。而降低錯誤率能幫助我們構建更大的量子芯片。
雙指數(shù)的增長速度遠遠快于指數(shù)函數(shù)，因此 Google 認為雖然量子計算機速度現(xiàn)在遠不及經(jīng)典計算機，但是總有一天會超過后者。
這可不僅僅是 Google 研究人員的自賣自夸，實際上 Google 實驗室也是按照雙指數(shù)規(guī)律的速度在推進著：去年 12 月，一臺筆記本電腦即可模擬 Google 最好的量子計算機；到了今年 1 月，一臺功能強大的臺式機才可與之媲美；而到了今年 2 月，經(jīng)典計算機的速度已經(jīng)不能和量子計算機匹敵，無法再模擬后者了。
為何由 NASA 發(fā)布
也許你會好奇，Google 的論文為何要在 NASA 官網(wǎng)上發(fā)布。其實 Google 去年就已經(jīng)和 NASA 展開合作，并且立下了 flag：要在今年實現(xiàn)所謂量子霸權，即讓量子計算機的運算能力遠遠超過經(jīng)典計算機。
2018 年 7 月，Google 宣布與 NASA 建立合作伙伴關系，計劃將量子計算機上運行的結果，與經(jīng)典仿真進行比較，實現(xiàn)所謂的「量子霸權」，而且當時的 Google 預測在今年就可以實現(xiàn)。
雙方合作使用的量子芯片名字叫做 Bristlecone，總共包含 72 個量子比特。由于 Bristlecone 需要將超導電路維持在絕對零度附近，因此無法將其從 Google 的實驗室搬走。NASA 研究人員只能通過 Google 的云 API 遠程連接 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 量子計算系統(tǒng)上。
按照雙方的約定，今年年初，他們在 NASA 最強的超級計算機 Pleiades 上對運行這些仿真所必需的軟件進行編碼，并在合同簽訂后的 12 個月，即今年 7 月，比較量子電路仿真和 Google 量子計算機硬件的結果。
雖然 Google 和 NASA 持非常樂觀的態(tài)度，但業(yè)界也有人這個 flag 要倒。
阿里巴巴數(shù)據(jù)基礎設施和搜索技術部門的研究人員發(fā)表了一篇論文，認為要實現(xiàn)量子霸權可能需要錯誤率更低的量子芯片。
南加州大學量子信息科學與技術中心主任 Daniel Lidar 也對此表示懷疑。他接受麻省理工科技評論時說：「（實現(xiàn)量子霸權）似乎還需要其他方式抑制錯誤?！?/p>
如果這篇論文通過了同行評審，則意味著 Google 和 NASA 的 flag 沒有倒，而且量子計算將進入一個新的時代。
創(chuàng)造歷史
幾十年來，量子計算這個領域，都籠罩在一個強大的假設之下：
任何其他類型的計算機，能夠高效完成的計算，經(jīng)典計算機也都能高效完成。
這個假設，來自「廣義邱奇-圖靈論題」(Extended Church Turing Thesis) 。
如今，Google 的量子計算機用 3 分 20 秒完成的計算，交給全球排名第一的超級計算機 Summit，大概需要 1 萬年。這就打破了人類曾經(jīng)的猜想。
Google 說：
這標志了第一個只能用量子處理器執(zhí)行的運算。
在通往全面量子計算的路上，這是一個里程碑。
量子機器的算力，將會以雙指數(shù)速度增長。
當然，這項前所未有的成就，不止是 Google 自家的狂歡。
為英國政府擔任量子技術顧問的 Steve Brierley，已經(jīng)在領域里工作了 20 年，還是量子軟件初創(chuàng)公司 Riverlane 的創(chuàng)始人。他強調說：
第一次有人證明，量子計算機的性能真的能超過經(jīng)典計算機。
這是個了不起的成就。
走到領域之外，美國民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤 (Andrew Yang) ，是這樣說的：
Google 達成量子霸權是個大事。先不說別的，這至少意味著，沒有不能破解的代碼了。
他的這條推特，已經(jīng)收獲了 5100 贊。
不久之后，楊還補充了一條：
我們的加密技術也得跟上啊。
這條推特，又獲得了 3200 贊。
下一步呢
量子霸權實現(xiàn)了，但故事并沒有結束。
在許多人的眼里，量子霸權是一個人為設定的里程碑：只要在任何一項任務上，證明量子計算機超過經(jīng)典計算機就可以了。
怎樣的任務都可以，也就不一定有現(xiàn)實意義。比如，Google 給量子計算機的任務是：鑒定一個隨機數(shù)生成器，是不是真的隨機。
所以，一個里程碑之后，還有另一個里程碑要趕去。
實用性
IBM 的量子計算戰(zhàn)略負責人 Robert Sutor，提到了一個「量子優(yōu)勢?(Quantum Advantage)」概念，那是一個實用性的里程碑：
量子優(yōu)勢，是在一個真實應用場景 (比如金融服務、AI、化學里面) ，量子計算機做出了比任何經(jīng)典計算機要明顯優(yōu)秀的工作。
作為 Google 的對手，IBM 一直在探索量子計算的應用，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外開放了一臺 53 比特的通用量子計算機。
IBM 說，量子霸權這個詞他們并不用，也不在意。
不過，Google 研究院、加州理工學院的理論物理學家 Fernando Brand?o 相信：
在達成量子霸權之前，量子計算機不可能做出什么有意思的事。
現(xiàn)在，就算量子計算機做的任務還沒有實際意義，研究人員還是可以從中學到經(jīng)驗，今后開發(fā)出更有用的量子計算機。
2018 年，波士頓咨詢公司 (BCG) 發(fā)布的報告說，量子計算機可以改變許多領域的游戲規(guī)則：
比如密碼學和化學，對化學的影響會廣泛波及材料學，以及農(nóng)業(yè)和制藥等等領域。
人工智能，機器學習就更不用說了。
另外，物流，制造，金融，能源……也都會出現(xiàn)新的應用。
這個未來，整個世界都在期待著。
容錯率
再下一個里程碑，就是造出一臺容錯的量子計算機。
這樣的計算機，能在一項計算當中實時糾正錯誤，原則上可以實現(xiàn)無錯的量子計算。
目前，主流的方法叫做「Surface Code」，每個執(zhí)行計算的「邏輯」量子比特，都要有成千上萬個糾錯量子比特來支持。
這遠遠超出了當前量子計算的最強算力。
所以，量子計算到底需不需要容錯能力，也是值得討論的問題。
來自 Google 的 Fernando Brand?o 說：
有許多思路可走，但沒有哪個方向是確定的。
One More Thing
不過，在走向未來之前，關于這項研究，還有一個直擊靈魂的問題：
如果說，超算要 1 萬年才能算好，怎么才能知道量子計算機得出的結果是對的呢？
論文緩存地址：
https://filebin.net/k5rr4l0p6ldde7hr/Quantum_Supremacy_Using_a_Programmable_Superconducting_Processor.html
參考鏈接：https://www.technologyreview.com/s/612381/google-has-enlisted-nasa-to-help-it-prove-quantum-supremacy-within-months/
https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/
https://gizmodo.com/google-says-its-achieved-quantum-supremacy-a-world-fir-1838299829
https://www.bcg.com/publications/2018/next-decade-quantum-computing-how-play.aspx
