作者 | 楊曉凡，Camel
編輯 | 唐里
雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：在九月下旬，「谷歌實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性（quantum supremacy）」的消息占據(jù)了各大媒體的頭版頭條。
（注：國內(nèi)大多媒體將 quantum supremacy 翻譯成「量子霸權(quán)」，無疑相比來講后者更能博大眾的眼球，谷歌官方認(rèn)為“量子優(yōu)越性”的翻譯更為準(zhǔn)確，下文將全部使用“量子優(yōu)越性”）
據(jù)英國《金融時報》等媒體報道[1] 稱，谷歌在一臺 53 比特的量子計(jì)算機(jī)上僅用 3分 20 秒便完成了在超級計(jì)算機(jī)上需要一萬年的計(jì)算，這是量子計(jì)算領(lǐng)域的一次巨大突破，一些圈內(nèi)人士紛紛表示 「有一種即將親歷 2012 年 Hinton 發(fā)表 AlexNet 文章的感覺」、「或?qū)⒂瓉硐乱徊萍祭顺薄埂?/p>
圖注：谷歌發(fā)表文章中，對量子優(yōu)越性的證明。a）驗(yàn)證基準(zhǔn)測試方法。根據(jù)測得的位串和經(jīng)典模擬預(yù)測的相應(yīng)概率，計(jì)算出補(bǔ)丁電路，消除電路和完整電路的驗(yàn)證值。盡管在復(fù)雜性方面存在巨大差異，但所有四個曲線之間的緊密對應(yīng)關(guān)系證明了它們在優(yōu)越性領(lǐng)域（ supremacy regime）中的使用是正確的。b）對于電路深度為20時，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)行等保真度經(jīng)典采樣將花費(fèi)10,000年，對保真度的驗(yàn)證將花費(fèi)數(shù)百萬年。
針對這些報道，一個多月來，谷歌并沒有作出任何回應(yīng)，且在新聞報道之前便從網(wǎng)上撤掉了相應(yīng)的論文。10月21日，IBM發(fā)表博文 [2] 以及arXiv文章[3] 稱谷歌的實(shí)驗(yàn)存在缺陷，作為對比的超算計(jì)算時間其實(shí)只需要2.5天。
圖注：IBM對谷歌的回應(yīng)。分析預(yù)期的經(jīng)典計(jì)算運(yùn)行時間與“ Google Sycamore Circuits”的電路深度。藍(lán)色線估計(jì)了一個53量子位處理器的經(jīng)典運(yùn)行時間（電路深度為20時，運(yùn)行時間為2.5天），而橙色線則估計(jì)了一個54量子位處理器的經(jīng)典運(yùn)行時間。
作為一切吹捧和質(zhì)疑的回應(yīng)，谷歌終于在今天（10月23日）正式在Nature上發(fā)表了他們的這項(xiàng)工作《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》[4]。
不僅如此，谷歌CEO 桑達(dá)爾·皮查伊（Sundar Pichai）還為此專門撰寫一篇文章，談?wù)摗噶孔佑?jì)算里程碑的意義」[5]。
皮查伊與谷歌量子計(jì)算機(jī) @ Santa Barbara lab
皮查伊在文中稱，“對于我們從事科學(xué)技術(shù)工作的人們來說，這項(xiàng)工作正是我們一直在等待的「hello，world」，是迄今為止使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)的最有意義的里程碑”。他表示，從今天的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)到明天的實(shí)際應(yīng)用可能還有很長的路要走，但這項(xiàng)工作的意義在于，它代表了量子計(jì)算世界的“一個可能的時刻”（a moment of possibility）。
雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))注意到，除了皮查伊的文章外，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家 John Martinis （量子硬件）與Sergio Boixo（量子理論）還聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于「量子優(yōu)越性」的技術(shù)博客[6]，簡要介紹了他們的工作內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)、處理器硬件、測試、應(yīng)用以及接下來的目標(biāo)。
那么「谷歌實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性」，是谷歌帶給人類的又一次革命，還是僅僅一次媒體炒作？或許時間將給出證明。
延伸閱讀：使用可編程超導(dǎo)處理器的量子優(yōu)越性
物理學(xué)家談?wù)摗傲孔佑?jì)算能做什么”這個問題已經(jīng)超過 30 年了，但問題一直存在：研究它真的有用嗎？值得為此研究進(jìn)行投資嗎？正像計(jì)算機(jī)的發(fā)明一樣，量子計(jì)算的研究也是一個大規(guī)模的研究，因此去制定一系列具有決定性的短期目標(biāo)，以此來證明設(shè)計(jì)是否朝著正確的方向發(fā)展，是一個良好的工程實(shí)踐。谷歌所提出的這項(xiàng)“短期目標(biāo)”就是他們所稱之為的“量子優(yōu)越性”（quantum supremacy）實(shí)驗(yàn)，并以此作為指導(dǎo)來制造可編程且功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。
谷歌今天在《自然》雜志的“使用可編程超導(dǎo)處理器的量子優(yōu)越性”（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）一文中發(fā)布了他們在“量子優(yōu)越性”實(shí)驗(yàn)中的最新結(jié)果。他們開發(fā)了一種名為“ Sycamore”的新型 54比特處理器，該處理器由快速、高保真量子邏輯門組成，以執(zhí)行基準(zhǔn)測試。由此構(gòu)建的機(jī)器能夠在200秒內(nèi)完成目標(biāo)計(jì)算，而作為對比，要想產(chǎn)生類似的輸出將需要世界上最快的超級計(jì)算機(jī)一萬年的時間。
圖注：a）處理器的布局，顯示一個54量子位的矩形陣列（灰色），每個矩形都用耦合器（藍(lán)色）連接到最近的四個上?？梢燥@示不可操作的量子位。b，Sycamore 處理器的實(shí)物照片。
1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
為了幫助理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，首先想象有一群剛剛?cè)腴T的量子計(jì)算愛好者來到谷歌的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室參觀，然后想在谷歌的新量子處理器上運(yùn)行一個量子算法試試效果。實(shí)驗(yàn)室給他們提供了一張表，上面有處理器可以執(zhí)行的最基礎(chǔ)的門操作，他們可以組合這些操作來編寫算法。由于每個門都有一定概率出錯，這些愛好者編寫的算法就需要有一定的規(guī)模限制，整個操作序列中參與的門加起來不可以超過1000個。假設(shè)這群人此前并沒有什么編程經(jīng)驗(yàn)，那么他們設(shè)計(jì)的操作序列看起來就很有可能是在一列隨機(jī)的門里走了一圈；可以把這個看作是量子計(jì)算機(jī)的“hello world”程序。由于這樣形成的隨機(jī)電路里沒有什么結(jié)構(gòu)可以供經(jīng)典算法利用，想要用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬這樣的量子電路的話就通常避免不了用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行長時間計(jì)算。
量子計(jì)算機(jī)上的這些隨機(jī)量子電路的每次運(yùn)行都會產(chǎn)生一串二進(jìn)制數(shù)字，比如 0000101. 由于量子相干性的存在，即便量子電路是隨機(jī)的，只要重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)足夠多次，它們產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)字的出現(xiàn)的概率就會顯出一定的模式，有一些結(jié)果會更經(jīng)常出現(xiàn)。想要找到這種隨機(jī)量子電路的輸出模式，在量子計(jì)算機(jī)上只不過是普通的任務(wù)，但如果想要用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬這種計(jì)算的話，隨著量子比特數(shù)量（寬度）的增加和門循環(huán)次數(shù)（深度）的增加，計(jì)算難度會以指數(shù)速度增加。
圖注：演示量子優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)過程
在實(shí)驗(yàn)中，谷歌首先分別運(yùn)行了12位量子比特到53位量子比特的隨機(jī)簡單電路，保持電路深度固定。他們測量了用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬時的計(jì)算性能，并和理論模型進(jìn)行了對比。一旦確認(rèn)了系統(tǒng)能正常工作，他們就會運(yùn)行53位量子比特的隨機(jī)困難電路并增加深度，一直到經(jīng)典模擬已經(jīng)變得不可行為止。
圖注：根據(jù)薛定諤-費(fèi)曼算法繪制的量子優(yōu)越性電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖，圖中自變量為量子比特數(shù)目和運(yùn)行循環(huán)數(shù)量。圖中的紅色星是用經(jīng)典計(jì)算驗(yàn)證對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路所需的時間。
這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果也成為了經(jīng)過拓展的邱奇-圖靈論題（Church-Turing thesis）的首個反對證據(jù)。邱奇-圖靈論題指出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以高效地實(shí)現(xiàn)任何合理的計(jì)算模型。而在這個實(shí)驗(yàn)中，谷歌已經(jīng)首次證明了存在無法被經(jīng)典計(jì)算機(jī)合理地模擬的量子運(yùn)算，這也可以看做是谷歌已經(jīng)打開了一個計(jì)算的新世界，等待我們進(jìn)一步探索。
2、Sycamore 處理器
谷歌的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)是在Sycamore處理器上運(yùn)行的，這是一個完全可編程的、具有54位量子比特的處理器。它具有二維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。受益于密集的連接，處理器芯片有很好的連接性，其中的量子比特的狀態(tài)可以很快地在整個處理器上傳遞、互動；處理器的整體狀態(tài)也就已經(jīng)完全沒辦法用經(jīng)典計(jì)算機(jī)做高效的仿真了。
谷歌設(shè)計(jì)的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)之所以能夠成功，還是要?dú)w功于他們改進(jìn)過的含有兩位量子比特的門，它具有更高的并行能力，即便當(dāng)許多個門同時運(yùn)行時也能可靠地帶來目前為止最高的性能。谷歌采用了一種新的控制節(jié)，它能夠關(guān)閉相鄰的量子比特之間的互動。這大大減少了這樣的多連接量子比特系統(tǒng)中的錯誤的數(shù)量。谷歌還優(yōu)化了芯片的設(shè)計(jì)降低串?dāng)_，以及開發(fā)了新的控制校準(zhǔn)方法，可以避免量子比特的缺陷；這都進(jìn)一步提升了芯片的性能。
電路的結(jié)構(gòu)是一個二維矩形網(wǎng)格，其中每一個量子比特都和四個其它的量子比特相連接。這個架構(gòu)也帶有前向兼容性，可以和量子糾錯一共使用。54位量子比特從數(shù)量上已經(jīng)相當(dāng)驚人，但在谷歌看來，這也只不過是越來越強(qiáng)大的量子處理器之路上的第一步而已。
圖注：a）泡利誤差（黑色、綠色、藍(lán)色）和讀出誤差（橙色）的積分直方圖（經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)，ECDF），在隔離的量子位上（虛線）以及同時操作所有量子位時（實(shí)線）進(jìn)行測量。每個分布的中值出現(xiàn)在垂直軸上的0.50處。平均值（平均值）如圖所示。b）熱圖，顯示了位于處理器布局中的單比特和二比特泡利誤差e1（cross）和e2（bar）， 顯示了同時運(yùn)行的所有量子位的值。
3、驗(yàn)證量子物理
為了確保量子計(jì)算機(jī)未來也能持續(xù)地發(fā)揮作用，谷歌需要現(xiàn)在就確認(rèn)它采用的量子機(jī)理沒有什么基礎(chǔ)性的問題。通過實(shí)驗(yàn)來探索理論的邊界是物理學(xué)研究中悠久的優(yōu)良傳統(tǒng)，因?yàn)樘厥獾奈锢韰?shù)往往會勾勒出新的物理學(xué)范式，從而在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為新的物理學(xué)現(xiàn)象。在之前的實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一直到大約1000維的狀態(tài)空間，量子機(jī)理的實(shí)際運(yùn)行情況都符合他們的期待。
這次，他們把實(shí)驗(yàn)的規(guī)模擴(kuò)大到了 10^16 維，然后發(fā)現(xiàn)所有機(jī)理仍然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。他們也測量了基礎(chǔ)的量子理論，他們測量了具有2位量子比特的門的錯誤率，發(fā)現(xiàn)它可以準(zhǔn)確地預(yù)測完全達(dá)到了量子優(yōu)越性的電路的測試結(jié)果。這說明，他們沒有遇到什么會導(dǎo)致谷歌的量子計(jì)算機(jī)性能下降的意外的物理現(xiàn)象；也就是說，他們的實(shí)驗(yàn)提供了有力的證據(jù)，表明更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)也可以遵循現(xiàn)有的理論運(yùn)行。這也讓谷歌的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)更有信心構(gòu)建出更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。
4、應(yīng)用
Sycamore量子計(jì)算機(jī)完全可編程，而且可以運(yùn)行通用的量子算法。自從去年做出了量子優(yōu)越性的結(jié)果以來，谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)就一直在努力做出近期應(yīng)用方面的成果，包括量子物理模擬計(jì)算、量子化學(xué)方面，以及生成式機(jī)器學(xué)習(xí)和其它很多別的領(lǐng)域。
5、未來展望
谷歌這支量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)未來有兩個主要的目標(biāo)，兩個目標(biāo)也都是要為量子計(jì)算找到有價值的應(yīng)用領(lǐng)域。首先，未來他們希望讓其他的合作者、學(xué)術(shù)研究人員都有機(jī)會使用這樣的計(jì)算能力足以展現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子處理器，他們也同樣歡迎有興趣為今天的 NISQ 處理器開發(fā)算法、尋找應(yīng)用場景的企業(yè)參與進(jìn)來。創(chuàng)新的最重要來源永遠(yuǎn)是有創(chuàng)意的研究人員們，在谷歌看來，如今他們已經(jīng)有了新的計(jì)算資源，就希望能夠有更多的研究人員也加入到這個領(lǐng)域中來，并把創(chuàng)造出一些有用的東西作為他們的目標(biāo)。
其次，谷歌也會在團(tuán)隊(duì)和技術(shù)方面做長期持續(xù)的投資，盡快建造出一個具備容錯能力的量子計(jì)算機(jī)。這樣的設(shè)備能給許多有價值的應(yīng)用帶來機(jī)會，比如，未來量子計(jì)算機(jī)有可能可以幫助我們設(shè)計(jì)新的材料，包括為電動汽車和飛機(jī)設(shè)計(jì)更輕的電池、可以更高效地生成化肥的催化劑（目前化肥生產(chǎn)的過程造成了全球碳排放的2%）、也可以找到更有效的藥品。真正達(dá)到這些任務(wù)所需的計(jì)算能力肯定還需要很多年的扎實(shí)的工程和科學(xué)研究，但在谷歌看來，這條道路已經(jīng)非常清晰，他們已經(jīng)迫不及待地邁步前行。
雷鋒網(wǎng)報道。
參考資料：
[1]英國金融時報在9月20日對谷歌“量子優(yōu)越性”的報道，https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
[2] IBM 對谷歌“量子優(yōu)越性”的回應(yīng)博客 On “Quantum Supremacy”,https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
[3] IBM對谷歌“量子優(yōu)越性”論文的驗(yàn)證，發(fā)表在arXiv上,https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
[4] 量子優(yōu)越性論文,https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[5] 谷歌CEO皮查伊撰寫文章“量子計(jì)算里程碑的意義”，https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
[6] 量子優(yōu)越性技術(shù)博客,https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
【封面圖片來源：網(wǎng)站名谷歌，所有者：谷歌】
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