本文來(lái)自公眾號(hào)量子位（ID:QbitAI），作者栗子，原標(biāo)題《200 秒=超算 1 萬(wàn)年，Google 實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」論文上架隨即被撤回，引發(fā)全球熱議》，愛(ài)范兒經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
量子計(jì)算機(jī)用 3 分 20 秒完成的一項(xiàng)計(jì)算，全球最強(qiáng)大的超算 Summit 要花 1 萬(wàn)年。
這個(gè)成果，來(lái)自 Google 最新的量子計(jì)算研究，發(fā)表在 NASA 官網(wǎng)上。論文宣布，「量子霸權(quán)」實(shí)現(xiàn)了。
英國(guó)政府的量子技術(shù)顧問(wèn) Steve Brierley 說(shuō)：
這是第一次有人證明，量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
是個(gè)了不起的成就。
另外，美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤，推特轉(zhuǎn)發(fā)了這則，引起強(qiáng)烈關(guān)注，一日便有 5100 人點(diǎn)贊：
大事啊，至少說(shuō)明，沒(méi)有什么破解不了的密碼了。
雖然，NASA 沒(méi)過(guò)多久便下架了這篇論文，但正因如此，人類(lèi)反而對(duì) 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(yè)緩存中一窺論文的內(nèi)容。
Google 在論文摘要中說(shuō)：
我們使用具有 53 個(gè)超導(dǎo)量子位的可編程處理器，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。
我們使用經(jīng)典模擬進(jìn)行驗(yàn)證。雖然我們的處理器大約需要 200 秒來(lái)采樣一百萬(wàn)個(gè)量子電路實(shí)例，但是一臺(tái)先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)將需要大約 1 萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)執(zhí)行等效的任務(wù)。
相對(duì)于所有已知經(jīng)典算法而言，這種巨大的提速在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算任務(wù)上的量子霸權(quán)，并預(yù)示了人們期待已久的計(jì)算范式的出現(xiàn)。
在摘要中，Google 揭示了這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的原因，由于量子力學(xué)中物體的狀態(tài)是在希爾伯特空間中演化，因此只需 53 個(gè)量子位就可以模擬 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（一般是等價(jià)于 50 個(gè)量子比特）。
主要指出的是 Google 雖然實(shí)現(xiàn)了 72 個(gè)量子位的芯片，但這和 72 位量子計(jì)算機(jī)是兩回事。GoogleBristlecone 芯片是利用 9 個(gè)相同模式的量子比特進(jìn)行耦合，然后依次擴(kuò)展出去，并非實(shí)現(xiàn)了兩兩量子比特之間的耦合。
量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用也面臨諸多問(wèn)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(duì)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(shí)間限制，時(shí)間一長(zhǎng)，兩個(gè)粒子將不再「相干」。在進(jìn)行量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yùn)算結(jié)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(jì)算機(jī)演化概念圖：
這張圖顯示了量子計(jì)算錯(cuò)誤率和量子比特?cái)?shù)之間的關(guān)系。Google 量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的預(yù)期研究方向?yàn)閳D中紅色曲線，他們希望通過(guò)建立糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，降低錯(cuò)誤率，從而將這項(xiàng)技術(shù)推入右下角的綠色可用區(qū)域。
什么是量子霸權(quán)
量子霸權(quán)，也叫量子優(yōu)勢(shì)，即在未來(lái)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(wàn)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。
提出這一假想的原因是，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展似乎遵循著「內(nèi)文定律」，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)芯片的晶體管密度每 18 個(gè)月翻一番，算力增強(qiáng)一倍，這是一種指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律。但是近年來(lái)隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學(xué)極限，這一定律已經(jīng)放緩甚至失效。
而來(lái)自 Google 量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的速度正在以雙指數(shù)的速度增長(zhǎng)。雙指數(shù)是指數(shù)之上再加一層指數(shù)，形式如下：
Neven 認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)存在著兩個(gè)指數(shù)優(yōu)勢(shì)：
首先，量子位相比普通位具有效率優(yōu)勢(shì)，如果一個(gè)量子電路具有 4 個(gè)量子位，那么需要一個(gè)具有 16 個(gè)普通位的經(jīng)典電路才能實(shí)現(xiàn)等效的計(jì)算能力。
其次，量子芯片也在快速改進(jìn)。Google 量子芯片正在以指數(shù)級(jí)的速度發(fā)展，這種快速的改善是由于量子電路中錯(cuò)誤率的降低。而降低錯(cuò)誤率能幫助我們構(gòu)建更大的量子芯片。
雙指數(shù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于指數(shù)函數(shù)，因此 Google 認(rèn)為雖然量子計(jì)算機(jī)速度現(xiàn)在遠(yuǎn)不及經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但是總有一天會(huì)超過(guò)后者。
這可不僅僅是 Google 研究人員的自賣(mài)自夸，實(shí)際上 Google 實(shí)驗(yàn)室也是按照雙指數(shù)規(guī)律的速度在推進(jìn)著：去年 12 月，一臺(tái)筆記本電腦即可模擬 Google 最好的量子計(jì)算機(jī)；到了今年 1 月，一臺(tái)功能強(qiáng)大的臺(tái)式機(jī)才可與之媲美；而到了今年 2 月，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)不能和量子計(jì)算機(jī)匹敵，無(wú)法再模擬后者了。
為何由 NASA 發(fā)布
也許你會(huì)好奇，Google 的論文為何要在 NASA 官網(wǎng)上發(fā)布。其實(shí) Google 去年就已經(jīng)和 NASA 展開(kāi)合作，并且立下了 flag：要在今年實(shí)現(xiàn)所謂量子霸權(quán)，即讓量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
2018 年 7 月，Google 宣布與 NASA 建立合作伙伴關(guān)系，計(jì)劃將量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的結(jié)果，與經(jīng)典仿真進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)所謂的「量子霸權(quán)」，而且當(dāng)時(shí)的 Google 預(yù)測(cè)在今年就可以實(shí)現(xiàn)。
雙方合作使用的量子芯片名字叫做 Bristlecone，總共包含 72 個(gè)量子比特。由于 Bristlecone 需要將超導(dǎo)電路維持在絕對(duì)零度附近，因此無(wú)法將其從 Google 的實(shí)驗(yàn)室搬走。NASA 研究人員只能通過(guò) Google 的云 API 遠(yuǎn)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(wèn)題」映射到 Bristlecone 量子計(jì)算系統(tǒng)上。
按照雙方的約定，今年年初，他們?cè)?NASA 最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī) Pleiades 上對(duì)運(yùn)行這些仿真所必需的軟件進(jìn)行編碼，并在合同簽訂后的 12 個(gè)月，即今年 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。
雖然 Google 和 NASA 持非常樂(lè)觀的態(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(mén)的研究人員發(fā)表了一篇論文，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)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(shuō)：「（實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)）似乎還需要其他方式抑制錯(cuò)誤?！?/p>
如果這篇論文通過(guò)了同行評(píng)審，則意味著 Google 和 NASA 的 flag 沒(méi)有倒，而且量子計(jì)算將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。
創(chuàng)造歷史
幾十年來(lái)，量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域，都籠罩在一個(gè)強(qiáng)大的假設(shè)之下：
任何其他類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，能夠高效完成的計(jì)算，經(jīng)典計(jì)算機(jī)也都能高效完成。
這個(gè)假設(shè)，來(lái)自「廣義邱奇-圖靈論題」(Extended Church Turing Thesis) 。
如今，Google 的量子計(jì)算機(jī)用 3 分 20 秒完成的計(jì)算，交給全球排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit，大概需要 1 萬(wàn)年。這就打破了人類(lèi)曾經(jīng)的猜想。
Google 說(shuō)：
這標(biāo)志了第一個(gè)只能用量子處理器執(zhí)行的運(yùn)算。
在通往全面量子計(jì)算的路上，這是一個(gè)里程碑。
量子機(jī)器的算力，將會(huì)以雙指數(shù)速度增長(zhǎng)。
當(dāng)然，這項(xiàng)前所未有的成就，不止是 Google 自家的狂歡。
為英國(guó)政府擔(dān)任量子技術(shù)顧問(wèn)的 Steve Brierley，已經(jīng)在領(lǐng)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(qiáng)調(diào)說(shuō)：
第一次有人證明，量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
這是個(gè)了不起的成就。
走到領(lǐng)域之外，美國(guó)民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤 (Andrew Yang) ，是這樣說(shuō)的：
Google 達(dá)成量子霸權(quán)是個(gè)大事。先不說(shuō)別的，這至少意味著，沒(méi)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(bǔ)充了一條：
我們的加密技術(shù)也得跟上啊。
這條推特，又獲得了 3200 贊。
下一步呢
量子霸權(quán)實(shí)現(xiàn)了，但故事并沒(méi)有結(jié)束。
在許多人的眼里，量子霸權(quán)是一個(gè)人為設(shè)定的里程碑：只要在任何一項(xiàng)任務(wù)上，證明量子計(jì)算機(jī)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)就可以了。
怎樣的任務(wù)都可以，也就不一定有現(xiàn)實(shí)意義。比如，Google 給量子計(jì)算機(jī)的任務(wù)是：鑒定一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器，是不是真的隨機(jī)。
所以，一個(gè)里程碑之后，還有另一個(gè)里程碑要趕去。
實(shí)用性
IBM 的量子計(jì)算戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人 Robert Sutor，提到了一個(gè)「量子優(yōu)勢(shì)?(Quantum Advantage)」概念，那是一個(gè)實(shí)用性的里程碑：
量子優(yōu)勢(shì)，是在一個(gè)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景 (比如金融服務(wù)、AI、化學(xué)里面) ，量子計(jì)算機(jī)做出了比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)要明顯優(yōu)秀的工作。
作為 Google 的對(duì)手，IBM 一直在探索量子計(jì)算的應(yīng)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(duì)外開(kāi)放了一臺(tái) 53 比特的通用量子計(jì)算機(jī)。
IBM 說(shuō)，量子霸權(quán)這個(gè)詞他們并不用，也不在意。
不過(guò)，Google 研究院、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家 Fernando Brand?o 相信：
在達(dá)成量子霸權(quán)之前，量子計(jì)算機(jī)不可能做出什么有意思的事。
現(xiàn)在，就算量子計(jì)算機(jī)做的任務(wù)還沒(méi)有實(shí)際意義，研究人員還是可以從中學(xué)到經(jīng)驗(yàn)，今后開(kāi)發(fā)出更有用的量子計(jì)算機(jī)。
2018 年，波士頓咨詢公司 (BCG) 發(fā)布的報(bào)告說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)可以改變?cè)S多領(lǐng)域的游戲規(guī)則：
比如密碼學(xué)和化學(xué)，對(duì)化學(xué)的影響會(huì)廣泛波及材料學(xué)，以及農(nóng)業(yè)和制藥等等領(lǐng)域。
人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)就更不用說(shuō)了。
另外，物流，制造，金融，能源……也都會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用。
這個(gè)未來(lái)，整個(gè)世界都在期待著。
容錯(cuò)率
再下一個(gè)里程碑，就是造出一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。
這樣的計(jì)算機(jī)，能在一項(xiàng)計(jì)算當(dāng)中實(shí)時(shí)糾正錯(cuò)誤，原則上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)的量子計(jì)算。
目前，主流的方法叫做「Surface Code」，每個(gè)執(zhí)行計(jì)算的「邏輯」量子比特，都要有成千上萬(wàn)個(gè)糾錯(cuò)量子比特來(lái)支持。
這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前量子計(jì)算的最強(qiáng)算力。
所以，量子計(jì)算到底需不需要容錯(cuò)能力，也是值得討論的問(wèn)題。
來(lái)自 Google 的 Fernando Brand?o 說(shuō)：
有許多思路可走，但沒(méi)有哪個(gè)方向是確定的。
One More Thing
不過(guò)，在走向未來(lái)之前，關(guān)于這項(xiàng)研究，還有一個(gè)直擊靈魂的問(wèn)題：
如果說(shuō)，超算要 1 萬(wàn)年才能算好，怎么才能知道量子計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果是對(duì)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
