本文來自公眾號(hào)量子位（ID:QbitAI），作者栗子，原標(biāo)題《200 秒=超算 1 萬年，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 萬年。
這個(gè)成果，來自 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。
英國政府的量子技術(shù)顧問 Steve Brierley 說：
這是第一次有人證明，量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
是個(gè)了不起的成就。
另外，美國民主黨的總統(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，至少說明，沒有什么破解不了的密碼了。
雖然，NASA 沒過多久便下架了這篇論文，但正因如此，人類反而對(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)頁緩存中一窺論文的內(nèi)容。
Google 在論文摘要中說：
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 秒來采樣一百萬個(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 萬年的時(shí)間來執(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，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。
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)增長的規(guī)律。但是近年來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。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)超過后者。
這可不僅僅是 Google 研究人員的自賣自夸，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，因此無法將其從 Google 的實(shí)驗(yàn)室搬走。NASA 研究人員只能通過 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：「（實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)）似乎還需要其他方式抑制錯(cuò)誤?！?/p>
如果這篇論文通過了同行評(píng)審，則意味著 Google 和 NASA 的 flag 沒有倒，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，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 萬年。這就打破了人類曾經(jīng)的猜想。
Google 說：
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。
當(dāng)然，這項(xiàng)前所未有的成就，不止是 Google 自家的狂歡。
為英國政府擔(dān)任量子技術(shù)顧問的 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：
第一次有人證明，量子計(jì)算機(jī)的性能真的能超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
這是個(gè)了不起的成就。
走到領(lǐng)域之外，美國民主黨的總統(tǒng)參選人楊安澤 (Andrew Yang) ，是這樣說的：
Google 達(dá)成量子霸權(quán)是個(gè)大事。先不說別的，這至少意味著，沒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)外開放了一臺(tái) 53 比特的通用量子計(jì)算機(jī)。
IBM 說，量子霸權(quán)這個(gè)詞他們并不用，也不在意。
不過，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，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，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，都要有成千上萬個(gè)糾錯(cuò)量子比特來支持。
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，也是值得討論的問題。
來自 Google 的 Fernando Brand?o 說：
有許多思路可走，但沒有哪個(gè)方向是確定的。
One More Thing
不過，在走向未來之前，關(guān)于這項(xiàng)研究，還有一個(gè)直擊靈魂的問題：
如果說，超算要 1 萬年才能算好，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
