“精确控制量子计算机是出了名的困难。从某种意义上说，仅仅看一眼量子系统，都不可避免地会扰乱它。”

 

　　加州理工学院理论物理教授兼量子信息和物质研究所所长约翰•普雷斯基尔（John Preskill）在谈到谷歌创造的第一台性能超过经典计算机的量子计算机时发表的一个见解。

 

 

超越经典，谷歌收得霸权

 

　　《自然》（Nature）在今天（10月24日）发表的一篇论文Quantum supremacy using a programmable superconducting processor报道了量子计算机首次完成对最快的经典超级计算机的超越。

 

　　该量子系统只用了约200秒就搞定了经典计算机大约需要1万年才能完成的任务。一篇同时发表在《自然》“新闻与观点”栏目文章Quantum computing takes flight称这一成就为量子计算的重大里程碑事件。

 

　　谷歌就此宣称“量子霸权”已经实现，他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性。

 

　　量子计算的一个目标是以超过传统经典计算机指数级倍数的速度执行特定计算任务。实现这一目标需要克服许多挑战，比如在产生较大计算空间的同时保证计算错误率低，以及设计一种经典计算机难以处理，但量子计算机可以轻松完成的基准测试。

 

Sycamore处理器

 

　　谷歌量子AI实验室（QuAIL)的约翰•马提尼斯（John Martinis）和同事描述了实现量子霸权所取得的技术进展。

 

　　他们研制了一台由54个量子比特组成的处理器(名为Sycamore处理器)，该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比，实现了指数级的增加。由于有1个量子比特无法有效工作，处理器实际只用了53个量子比特。

 

　　研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度（高达99.99%）。

 

　　为了测试该系统，团队设计了一项对量子电路产生的随机数字进行采样的任务。对于经典计算机来说，这一任务的难度会随量子电路中量子比特数的增加而增加。最后，量子处理器在200秒左右的时间内从量子电路中采集了100万个样本。这一数字这需要世界第一超算王者Summit花费数千年来完成。

 

　　那么，谷歌取得的“量子霸权”到底意味着什么？来了解下，提出“量子霸权”概念的的这位大牛——普雷斯基尔的观点。

 

约翰 · 普雷斯基尔在近期撰写的文章中分享了自己对这一“量子霸权”的解读

 

　　普雷斯基尔的职业生涯开始于粒子物理学和宇宙学，但现在他的主要研究领域是量子信息科学。他感兴趣的是如何建造和使用量子计算机，以及我们如何加深对量子信息的理解，从而阐明基础物理学中的问题。

 

　　在2012年，我提出了“量子霸权（quantum supremacy）”这个词来形容：量子计算机可以做到经典计算机所做不到的事情，而不管这些任务是否有意义。通过这个新术语，我想强调，这是我们星球历史上的一个特权时期，基于量子物理学原理的信息技术正在崛起。

 

　　事实上，“量子霸权”一词是有争议的，原因有二：

 

　　其一，“霸权”一词由于与“白人霸权”的联系，引发了一种令人厌恶的政治立场；

 

　　另一个原因是这个词加剧了对量子技术现状的过度报道。我预料到了后者，但没有预料到前者。无论如何这个词已经流行了起来，它已经被谷歌量子AI团队特别热情地接受了。

 

　　有其他几个选项我曾考虑却没有采用，我认为“量子霸权”最能体现我想要表达的观点。另一个选择是“量子优势（quantum advantage）”，这个词现在也得到了广泛的应用。但对我来说，“优势（advantage）”缺乏“霸权（supremacy）”的影响力。在比赛中，如果一匹马以领先一个鼻子的长度取胜，它就有优势。相反，对于某些任务，量子计算机的速度远远超过了经典计算机的速度。至少理论上是这样的。

 

　　最近的谷歌论文说明了这一点。他们使用了一个含有53个量子比特（经典计算机比特的量子类似物）的设备，他们说，现在最强大的超级计算机要花费数千年的时间才能做出的计算，在该设备上只需几分钟的量子计算就能完成。假设这是真的，这就是实验物理方面的一项了不起的成就，也证明了量子计算硬件的飞速发展；我衷心祝贺所有参与其中的人。

 

 

硬件问题已解决，演示实验太“偏心”

 

　　正如谷歌团队所承认的，问题在于，他们的机器以惊人的速度所解决的问题，是为了展示量子计算机的优越性而精心选择出来的，而这些问题并不是一些令人感兴趣的实际问题。

 

　　简而言之，量子计算机执行随机选择的指令序列，然后对所有的量子比特进行测量以产生输出比特串。这种量子计算的结构非常少，这使得经典计算机很难与之相比，但也意味着给出的答案并不能提供太多的信息。

 

　　然而，这种展示仍然意义重大。通过检查他们的量子计算机的输出是否与一台经典超级计算机的输出相一致（在不需要几千年的情况下），这个团队已经证实了他们了解自己的设备，并且其表现是符合预期的。

 

　　现在我们知道硬件可以实现，接下来就可以开始寻找更有用的应用程序了。

 

谷歌的量子计算机擅长检查量子随机数发生器的输出

 

　　为什么对硬件性能的验证如此重要？这是因为精确控制量子计算机是出了名的困难。从某种意义上说，仅仅看一眼量子系统，都不可避免地会扰乱它，这是著名的海森堡不确定性原理的一种表现。

 

　　因此，如果我们想要使用这样的系统来存储和可靠地处理信息，我们就需要保持该系统与外部世界几乎完全隔离。同时，我们希望量子比特能够相互作用，以便我们可以处理信息；我们还需要从外部控制系统，并最终通过测量量子比特来获得我们的计算结果。

 

　　要建立一个满足所有这些要求的量子系统是很有挑战性的，而且在材料、制造、设计和控制方面已经花费了许多年的时间才达到了我们现在的水平。

 

 

NISQ时代曙光初现

 

　　谷歌据称实现了量子霸权的里程碑，这是寻求实用量子计算机的关键一步。我认为，用一个词来描述现在即将到来的时代是有意义的，所以我最近编了一个词：NISQ（与risk押韵），这代表“有噪音的中尺度量子（noisy intermediate-scale quantum）”。

 

　　这里的“中等规模”指的是现在可供使用的量子计算机的大小，它足够大，足以执行今天的超级计算机所无法达到的某些高度专业化的任务；

 

　　“有噪音”强调我们对量子比特的控制仍不完善，其导致的小错误会随着时间的推移而累积；

 

　　如果我们试图计算太长时间，我们就不太可能得到正确的答案。

 

　　谷歌团队显然已经证明，现在有可能建造一台足够大、足够精确的量子机器来解决我们以前无法解决的问题，这预示着NISQ时代的到来。

 

　　另一方面，谷歌和其他硬件制造商希望为他们的量子设备找到实用的应用程序。一台大得多的量子计算机可能会帮助研究人员设计新材料和化合物，或者为机器学习制造更好的工具，但一台几百个量子比特的高噪音量子计算机可能无法提供任何有用的东西。

 

　　尽管如此，我们仍然对如何使用NISQ计算机有自己的想法，这可能会产生更好的优化方法或更精确的物理模拟，但我们不确定这些方法是否会成功。

 

　　通过使用NISQ技术来了解其潜力是很有趣的。我预计量子计算机将对社会产生革命性的影响，但这可能还需要几十年的时间。

 

 

　　资料来源：

 

　　Why I Called It‘Quantum Supremacy’

 

　　Quantum supremacy using a programmable superconducting processor