本文來自公眾號量子位 (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間發(fā)出賀電：
官宣。美國實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)！
沒錯，就是那個量子計算 200 秒=地球最強(qiáng)超算 1 萬年的突破，現(xiàn)在 Google 以最隆重的形式對外官宣，超過計算機(jī)識別貓、蓋過 AlphaGo 橫空出世。
而且 GoogleCEO 還難掩激動地介紹，這就像飛機(jī)最初被發(fā)明的時刻——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。
這是一個歷史性時刻，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時刻，功能強(qiáng)大的量子計算機(jī)可以完成經(jīng)典計算機(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)為出于美國國家安全被下架……
更有競爭對手直接攻擊，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量子計算世界的意義：一個充滿可能性的時刻。
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 開始探索一個新的 idea——用量子計算來加快機(jī)器學(xué)習(xí)的速度，并催生了 GoogleAI 量子團(tuán)隊(duì)。
接著 2014 年，美國物理學(xué)會院士 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)建量子計算機(jī)的工作。
兩年后，量子計算理論首席科學(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)勢性計算任務(wù)上來。
這是一場科研的馬拉松，一切都從零起步。即使對于 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，量子計算可以加速解決世界上一些最緊迫的問題。量子計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，量子計算將是對人們在經(jīng)典計算機(jī)上所做工作的偉大補(bǔ)充，量子給計算帶來了一個完整的循環(huán)。
不過，即便現(xiàn)在里程碑時刻已經(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)《金融時報》報道，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，就是讓量子計算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機(jī)，完成經(jīng)典計算機(jī)做不到的計算。
計劃是把量子計算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果，與經(jīng)典仿真 (在經(jīng)典計算機(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 個量子比特。Bristlecone 必須把超導(dǎo)電路維持在絕對零度附近，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)的超級計算機(jī) Pleiades 上對運(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 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 也對此表示懷疑。他接受麻省理工科技評論時說：「（實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性）似乎還需要其他方式抑制錯誤。」
如果通過了同行評審，就意味著 flag 沒有倒，且量子計算將進(jìn)入一個新的時代。
那為什么 NASA 發(fā)布論文不久便撤回了呢？
《財富》雜志報道說，那時研究成果還沒有經(jīng)過完整的同行評審。
如今只過了一個月，論文便登上了 Nature，可信度大大提升，量子計算的新時代真正到來。
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)的測量結(jié)果會采樣相應(yīng)的概率分布。
經(jīng)典計算機(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，能同時處于 0 和 1 兩種狀態(tài)。
1 個量子比特只能表示 2 個狀態(tài)，2 個量子比特就能表示 4 個狀態(tài)，3 個量子比特就能表示 8 個狀態(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 個量子比特就可以模擬 1016 種狀態(tài)，而這個數(shù)字已經(jīng)超出了當(dāng)今超級計算機(jī)的運(yùn)算能力。
說完了量子計算機(jī)的基本概念，下面我們看一下 Google 量子計算機(jī)的硬件。
Google 把這個實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器叫做「Sycamore」。它由 54 個 transmon 量子比特的二維陣列組成，每個比特與周圍的 4 個比特相耦合。
上圖展示了 Sycamore 處理器的布局，包含 54 個量子位的陣列（以灰色×表示），每個矩形都通過耦合器（以藍(lán)色方塊表示）連接到其四個最近的近鄰。
整個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能，防止外界熱量對量子處理器的干擾。
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。所有量子位的狀態(tài)可以通過同時利用頻率復(fù)用的技術(shù)來讀取。
為了完全控制這個量子處理器，Google 還精心設(shè)計了 277 個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
那么 Google，用量子力學(xué)原理，和這樣一個超級復(fù)雜的量子硬件解決了什么問題呢？
恰恰是一個經(jīng)典計算所不善于解決的量子電路采樣問題，在這個問題上，經(jīng)典計算機(jī)的運(yùn)算能力顯得捉襟見肘了。
量子計算機(jī)上每次運(yùn)行隨機(jī)量子電路都會產(chǎn)生一個位串，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（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，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樣本需要 200 秒，而在一百萬個內(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計算機(jī)的全部能力的情況下進(jìn)行競爭的。
對此，Google 拒絕置評。
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)際上這個問題并沒有 Google 宣傳的那么難，如果有時間進(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。
雖然這個時間仍然比量子計算機(jī)所需的長得多，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 的量子計算研究員 Jay Gambetta 說，公司不是為了與 Google 對抗，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 的爭吵誰對誰錯也不重要。
重要的是在這些巨頭的競爭之下，量子計算技術(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，也是美國物理學(xué)會的院士，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物理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。
之后他加入了美國國家標(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。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，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，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，在這歷史性時刻，讓我們用皮猜接受 MIT 科技評論專訪的一些回答來結(jié)尾吧：
我對這樣的里程碑時刻備感興奮，但確實(shí)也要提醒大家，這只是一個可能性被驗(yàn)證的開始，距離真正的大規(guī)模變革還需要很長時間——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，或許突破所需的時間不算短，但當(dāng)這樣的時刻到來，就會有更多人投入其中、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，我們正處在時代性技術(shù)周期里，AI 會加速量子計算，量子計算也會加速 AI，人類遭遇的那些大挑戰(zhàn)、大難題，現(xiàn)在有機(jī)會了。
傳送門
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
