本文來自公眾號(hào)量子位 (ID :QbitAI)，作者邊策、栗子、魚羊、李根，愛范兒經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
Google 突破一小步，人類科學(xué)一大步。
這個(gè)突破經(jīng)由 CEO 皮猜親自官宣、論文登上 Nature 150 周年紀(jì)念特刊、各大主流媒體頭版頭條、熱度全網(wǎng)第一，甚至連特朗普的大女兒伊萬卡都忍不住第一時(shí)間發(fā)出賀電：
官宣。美國(guó)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)！
沒錯(cuò)，就是那個(gè)量子計(jì)算 200 秒=地球最強(qiáng)超算 1 萬年的突破，現(xiàn)在 Google 以最隆重的形式對(duì)外官宣，超過計(jì)算機(jī)識(shí)別貓、蓋過 AlphaGo 橫空出世。
而且 GoogleCEO 還難掩激動(dòng)地介紹，這就像飛機(jī)最初被發(fā)明的時(shí)刻——萊特兄弟的飛機(jī)第一次只飛了 12 分鐘，但它證明了飛機(jī)飛行的可能性。
這是一個(gè)歷史性時(shí)刻，Google 也首次透露，已經(jīng)為此埋頭攻堅(jiān)了 13 年。
量子優(yōu)越性首次實(shí)現(xiàn)
Quantum Supremacy，伊萬卡口中的「量子霸權(quán)」，Google 更傾向于翻譯為量子優(yōu)越性。
直白來說，量子優(yōu)越性就是在未來的某個(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。
此前對(duì)于這樣的里程碑突破，都處于設(shè)想階段，從未被實(shí)現(xiàn)。
但一個(gè)月前，Google 的論文草稿，「意外」在 NASA 官網(wǎng)發(fā)布，結(jié)果非常震撼，稱 200 秒的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)了最強(qiáng)超算 1 萬年的結(jié)果。
但不料論文匆匆下架，反而引起更大關(guān)注。
當(dāng)時(shí)輿論炸了鍋，有認(rèn)為 Google 淪為「神棍」瞎咋呼的，也有認(rèn)為出于美國(guó)國(guó)家安全被下架……
更有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手直接攻擊，IBM 就甚至專門發(fā)表了一篇論文，質(zhì)疑 Google「誤導(dǎo)大眾」。
而現(xiàn)在，論文正式在 Nature 上發(fā)表，GoogleCEO 劈柴哥驕傲官宣 GoogleAI 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，還在博客中強(qiáng)調(diào)：
就像第一枚火箭成功地脫離地球引力，飛向太空邊緣。這一突破向我們展示了什么是可能的，并把看似不可能實(shí)現(xiàn)的事物推到了我們面前。
這就是這一里程碑對(duì)量子計(jì)算世界的意義：一個(gè)充滿可能性的時(shí)刻。
皮猜還說，Google 為此已經(jīng)努力了 13 年。并且一度因?yàn)檫M(jìn)展有限而沮喪。
在量子計(jì)算上，Google 的攻堅(jiān)從 13 年前開始。
2006 年，Google 科學(xué)家 Hartmut Neven 開始探索一個(gè)新的 idea——用量子計(jì)算來加快機(jī)器學(xué)習(xí)的速度，并催生了 GoogleAI 量子團(tuán)隊(duì)。
接著 2014 年，美國(guó)物理學(xué)會(huì)院士 John Martinis 加入了 Google，擔(dān)任 Google 量子硬件首席科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的工作。
兩年后，量子計(jì)算理論首席科學(xué)家 Sergio Boixo 在 Nature Communications 上發(fā)表了相關(guān)論文，最終將團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)聚焦到了量子優(yōu)勢(shì)性計(jì)算任務(wù)上來。
這是一場(chǎng)科研的馬拉松，一切都從零起步。即使對(duì)于 Google 的明星團(tuán)隊(duì)來說，這樣的工作也一樣是巨大的挑戰(zhàn)。
實(shí)際上，在去年 10 月之前，Google 在量子優(yōu)越性方面的進(jìn)展始終有限。
然而萬萬沒想到，2018 年 10 月加州野火撲不滅，出于安全考慮，Google 不得不短暫關(guān)閉位于圣克拉拉的實(shí)驗(yàn)室，一眾科學(xué)家也被迫休假。
但就在這期間，反而催生出新思路，然后實(shí)現(xiàn)了真正的躍遷。
皮猜還感慨，量子計(jì)算并非明確性的未來，要相信并堅(jiān)定認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)，并不容易。
但 Google 內(nèi)部始終相信，量子計(jì)算可以加速解決世界上一些最緊迫的問題。量子計(jì)算能為人類在分子尺度上理解和模擬自然界提供前所未有的良機(jī)。
皮猜還說，量子計(jì)算將是對(duì)人們?cè)诮?jīng)典計(jì)算機(jī)上所做工作的偉大補(bǔ)充，量子給計(jì)算帶來了一個(gè)完整的循環(huán)。
不過，即便現(xiàn)在里程碑時(shí)刻已經(jīng)到來，皮猜也提醒說，這只是證明可方向可行性，還不是馬上大規(guī)模商用發(fā)揮效用的時(shí)刻，我們需要繼續(xù)攻堅(jiān)，需要繼續(xù)砥礪前行。
無意的泄露
就像開頭說的，Google 這項(xiàng)量子優(yōu)越性的研究，在 Nature 發(fā)表之前，就在 NASA 官網(wǎng)短暫出現(xiàn)過。
那么問題來了，為什么是 NASA 發(fā)布？為什么上架不久便撤回了呢？
根據(jù)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，Google 去年已經(jīng)和 NASA 展開合作，并立下 flag：2019 年實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，就是讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的計(jì)算。
計(jì)劃是把量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果，與經(jīng)典仿真 (在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子電路) 進(jìn)行比較。
雙方合作用的量子芯片叫 Bristlecone，有 72 個(gè)量子比特。Bristlecone 必須把超導(dǎo)電路維持在絕對(duì)零度附近，所以沒法搬離 Google 的實(shí)驗(yàn)室，NASA 研究人員只能通過 Google 云 API 遠(yuǎn)程連接芯片。
按照約定，雙方 2019 年初在 NASA 最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī) Pleiades 上對(duì)運(yùn)行仿真所需的軟件進(jìn)行編碼，并在今年 7 月，比較量子電路仿真和 Google 量子計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)果。
Google 和 NASA 一直持樂觀態(tài)度，但業(yè)界也有人這個(gè) flag 要倒。阿里巴巴數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和搜索技術(shù)部門的研究人員發(fā)表了一篇論文，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性可能需要錯(cuò)誤率更低的量子芯片。
南加州大學(xué)量子信息科學(xué)與技術(shù)中心主任 Daniel Lidar 也對(duì)此表示懷疑。他接受麻省理工科技評(píng)論時(shí)說：「（實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性）似乎還需要其他方式抑制錯(cuò)誤。」
如果通過了同行評(píng)審，就意味著 flag 沒有倒，且量子計(jì)算將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。
那為什么 NASA 發(fā)布論文不久便撤回了呢？
《財(cái)富》雜志報(bào)道說，那時(shí)研究成果還沒有經(jīng)過完整的同行評(píng)審。
如今只過了一個(gè)月，論文便登上了 Nature，可信度大大提升，量子計(jì)算的新時(shí)代真正到來。
所以具體論文內(nèi)容是什么？
論文詳解
在撤回論文一個(gè)月后，Google 終于將論文發(fā)表在了《Nature》上。
Google 在論文摘要中說：
我們使用具有 53 個(gè)超導(dǎo)量子比特的可編程處理器，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。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特只能處于 0 或者 1 兩種狀態(tài)，而薛定諤貓告訴我們，貓可以處于死和活兩種狀態(tài)的疊加，量子比特也一樣，能同時(shí)處于 0 和 1 兩種狀態(tài)。
1 個(gè)量子比特只能表示 2 個(gè)狀態(tài)，2 個(gè)量子比特就能表示 4 個(gè)狀態(tài)，3 個(gè)量子比特就能表示 8 個(gè)狀態(tài)，以此類推。
由于量子力學(xué)中物體的狀態(tài)正是在這種疊加狀態(tài)空間中演化，再加上不同量子比特之間的耦合，就可以模擬出更多的狀態(tài)。
因此只需 53 個(gè)量子比特就可以模擬 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。
說完了量子計(jì)算機(jī)的基本概念，下面我們看一下 Google 量子計(jì)算機(jī)的硬件。
Google 把這個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器叫做「Sycamore」。它由 54 個(gè) transmon 量子比特的二維陣列組成，每個(gè)比特與周圍的 4 個(gè)比特相耦合。
上圖展示了 Sycamore 處理器的布局，包含 54 個(gè)量子位的陣列（以灰色×表示），每個(gè)矩形都通過耦合器（以藍(lán)色方塊表示）連接到其四個(gè)最近的近鄰。
整個(gè)處理器的外觀和普通的 CPU 芯片非常相似。
該處理器使用鋁制造，實(shí)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)中的約瑟夫森結(jié)，并使用銦制造兩個(gè)硅晶片之間的凸點(diǎn)。芯片被引線連接到到超導(dǎo)電路板上，并在稀釋制冷裝置中被冷卻至 20mK 以下。
這一溫度只比絕對(duì)零度高百分之二度，之所以要如此冷，是為了將將環(huán)境熱能降低到大大低于量子勢(shì)能，防止外界熱量對(duì)量子處理器的干擾。
處理器通過濾波器和衰減器連接到室溫電子設(shè)備，后者可合成控制信號(hào)。所有量子位的狀態(tài)可以通過同時(shí)利用頻率復(fù)用的技術(shù)來讀取。
為了完全控制這個(gè)量子處理器，Google 還精心設(shè)計(jì)了 277 個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
那么 Google，用量子力學(xué)原理，和這樣一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的量子硬件解決了什么問題呢？
恰恰是一個(gè)經(jīng)典計(jì)算所不善于解決的量子電路采樣問題，在這個(gè)問題上，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力顯得捉襟見肘了。
量子計(jì)算機(jī)上每次運(yùn)行隨機(jī)量子電路都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位串，例如 0000101。由于量子干涉，就像激光在通過狹縫后形成的散斑一樣，進(jìn)行重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)（采樣），某些位串比其他位串更容易出現(xiàn)。
然而，隨著量子比特的數(shù)量 n（寬度）和門循環(huán)數(shù)量 m（深度）的增加，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)為隨機(jī)量子電路找到最可能的位串變得越來越困難。
在實(shí)驗(yàn)中，Google 首先運(yùn)行 12 到 53 量子比特的隨機(jī)簡(jiǎn)化電路，保持電路深度恒定。
驗(yàn)證系統(tǒng)正常運(yùn)行后，Google 運(yùn)行了 53 量子比特且深度不斷增加的隨機(jī)硬電路，當(dāng)深度 m 增加到 20 時(shí)，經(jīng)典仿真變得完全不可用。
在量子處理器上獲得一百萬個(gè)樣本需要 200 秒，而在一百萬個(gè)內(nèi)核上進(jìn)行相等保真度經(jīng)典采樣將花費(fèi) 1 萬年，而對(duì)保真度的驗(yàn)證將花費(fèi)數(shù)百萬年。
Google 在論文中只是展示了量子計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用，未來可以用它來解決包括量子物理學(xué)和量子化學(xué)模擬在內(nèi)的問題。
量子計(jì)算的突破，還能促成機(jī)器學(xué)習(xí)的新應(yīng)用，加速解決世界正在面臨的一些最緊迫而復(fù)雜的問題。比如氣候變化的模擬，比如探究哪一些分子能夠制造更有效的藥物。
IBM 不服，指控 Google 忽悠
有很多科技公司都在從事量子計(jì)算機(jī)的研究，其中就包括 IBM、微軟的傳統(tǒng) IT 巨頭，也有阿里巴巴這樣的互聯(lián)網(wǎng)公司。
就在 Google 正式公布論文的前一天晚上，IBM 選擇了和 Google 硬懟。
這位藍(lán)色巨人說，Google 關(guān)于量子優(yōu)越性的說法是有缺陷的。因?yàn)?Google 實(shí)際上是在沒有充分利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的全部能力的情況下進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的。
對(duì)此，Google 拒絕置評(píng)。
IBM 的話通俗地說，就是 Google 調(diào)整了 baseline。Google 原本在論文中，他們的量子計(jì)算機(jī)只需 200 秒就解決了原本超算需要 1 萬年才能解決的問題。
但 IBM 表示，實(shí)際上這個(gè)問題并沒有 Google 宣傳的那么難，如果有時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，那么超算只需要 2.5 天就能解決該問題。
雖然這個(gè)時(shí)間仍然比量子計(jì)算機(jī)所需的長(zhǎng)得多，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到遙不可及的地步。
在 IBM 看來，所謂的量子優(yōu)越性是要做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法做到的事情，而 Google 顯然沒有做到這一點(diǎn)。
IBM 的量子計(jì)算研究員 Jay Gambetta 說，公司不是為了與 Google 對(duì)抗，而是為了避免將「量子優(yōu)越性」一詞過度宣傳。
也有人認(rèn)為，Google 實(shí)現(xiàn)是否實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性并不重要，IBM 與 Google 的爭(zhēng)吵誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)也不重要。
重要的是在這些巨頭的競(jìng)爭(zhēng)之下，量子計(jì)算技術(shù)正在以超乎我們想象的進(jìn)程飛速發(fā)展。
兩位首席科學(xué)家牽頭
Sergio Boixo 是 GoogleAI 量子實(shí)驗(yàn)室的量子理論首席科學(xué)家，也在南加州大學(xué)電氣工程系任教。
他的研究領(lǐng)域是波色-愛因斯坦凝聚、量子信息、量子計(jì)算、量子通訊等，目前已在他的領(lǐng)域發(fā)表了 84 篇論文，總計(jì)被引用 3259 次。
來自 GoogleAI 量子實(shí)驗(yàn)室的 John Martinis，是量子硬件首席科學(xué)家。他曾是 NIST 的院士，也是美國(guó)物理學(xué)會(huì)的院士，目前也在加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校工作。
John Martinis 畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，并在那里他獲得了兩個(gè)物理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。
之后他加入了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST），在此期間，他還發(fā)明了串聯(lián)陣列超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）放大器。
1993 年，他開始著手建立基于超導(dǎo)傳感器和串聯(lián)陣列 SQUID 的高分辨率 X 射線微熱量計(jì)。這項(xiàng)工作已經(jīng)發(fā)展到包括在 X 射線微分析和天體物理學(xué)以及光學(xué)和紅外天文學(xué)中的應(yīng)用。
在 2010 年，他被授予「年度科學(xué)突破」獎(jiǎng)，原因是他首次證明了機(jī)械振蕩器系統(tǒng)中的量子基態(tài)。
2014 年，他被授予倫敦超導(dǎo)量子比特低溫物理學(xué)研究獎(jiǎng)，同年加入 Google 領(lǐng)導(dǎo)量子硬件的研究工作。
One more thing
最后的最后，在這歷史性時(shí)刻，讓我們用皮猜接受 MIT 科技評(píng)論專訪的一些回答來結(jié)尾吧：
我對(duì)這樣的里程碑時(shí)刻備感興奮，但確實(shí)也要提醒大家，這只是一個(gè)可能性被驗(yàn)證的開始，距離真正的大規(guī)模變革還需要很長(zhǎng)時(shí)間——甚至是 10 年，但我們可以為科技發(fā)展的速度感到樂觀，
當(dāng)我們回顧深藍(lán) 1997 年擊敗卡帕羅夫、AlphaGo 在 2016 年擊敗李世石，或許突破所需的時(shí)間不算短，但當(dāng)這樣的時(shí)刻到來，就會(huì)有更多人投入其中、加入其中，我們?nèi)祟惥褪沁@樣進(jìn)步的。
而且當(dāng)前如此令人興奮，我們正處在時(shí)代性技術(shù)周期里，AI 會(huì)加速量子計(jì)算，量子計(jì)算也會(huì)加速 AI，人類遭遇的那些大挑戰(zhàn)、大難題，現(xiàn)在有機(jī)會(huì)了。
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Google 博客：https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
論文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
IBM 論文：https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
