9 月 20 日，據(jù)《財(cái)富》、《金融時(shí)報(bào)》等多家外媒報(bào)道,，谷歌已經(jīng)利用一臺(tái) 53 量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù),，即在世界第一超算需要計(jì)算 1 萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中,，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了 3 分 20 秒,。
這是迄今為止表明量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī),，并走向?qū)嵱没顬閺?qiáng)烈的跡象。雖然相關(guān)論文上傳至 NASA 后不久即被刪除,，但還是有眼疾手快的讀者及時(shí)保存了論文,。谷歌是否真的實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)？這一實(shí)驗(yàn)算不算一個(gè)里程碑事件,？讀者可以去論文中尋找答案,。
論文鏈接：https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view
這篇論文的摘要寫道：量子計(jì)算機(jī)的誘人前景在于量子處理器上執(zhí)行某項(xiàng)計(jì)算任務(wù)的速度要比經(jīng)典處理器快指數(shù)倍，而根本性的挑戰(zhàn)是構(gòu)建一個(gè)能夠在指數(shù)級(jí)規(guī)模的計(jì)算空間中運(yùn)行量子算法的高保真度處理器,。在這篇論文中,，谷歌研究者使用具有可編程超導(dǎo)量子比特的處理器來(lái)創(chuàng)建 53 量子比特的量子態(tài)，占據(jù)了 2^53?10^16 的狀態(tài)空間,。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)量值對(duì)相應(yīng)的概率分布進(jìn)行采樣,，并利用經(jīng)典模擬加以驗(yàn)證。
谷歌的量子處理器大約只需 200 秒即可對(duì)量子電路采樣 100 萬(wàn)次,，而當(dāng)前最優(yōu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)大約需要 1 萬(wàn)年,。這相對(duì)于所有已知的經(jīng)典算法有了巨大的速度提升，是在計(jì)算實(shí)驗(yàn)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán),，預(yù)示著下一個(gè)萬(wàn)眾矚目的計(jì)算范式的到來(lái),。
如果讀者想要了解量子計(jì)算到底是什么，可以看看下面這篇教程,，它不需要我們理解量子力學(xué)就能有一個(gè)整體的理解：
教程地址：https://arxiv.org/abs/1708.03684
研究社區(qū)：這會(huì)是量子計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)里程碑
谷歌的論文迅速在量子計(jì)算研究社區(qū)內(nèi)傳播,，而「谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)」的消息也不脛而走，成為了上周末科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大新聞,。在知乎上,，有關(guān)這一問(wèn)題的討論瞬間吸引了 3000 多萬(wàn)次點(diǎn)擊。
量子霸權(quán)（quantum supremacy）是指量子計(jì)算在某些任務(wù)上擁有超越所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,。谷歌的研究人員聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán),，這意味著最新的量子計(jì)算機(jī)能力已經(jīng)達(dá)到了目前最為強(qiáng)大的超算也無(wú)法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運(yùn)算，而目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī),、美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的「Summit」執(zhí)行同樣任務(wù)需要大約一萬(wàn)年時(shí)間,。
如何評(píng)價(jià)谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的研究？量子計(jì)算領(lǐng)域杰出科學(xué)家,、原香港中文大學(xué)副教授,、現(xiàn)騰訊量子實(shí)驗(yàn)室杰出科學(xué)家張勝譽(yù)在獲知消息之后表示，歷史上谷歌硬件組一直做得很好,，相信谷歌的研究是有真實(shí)性的,。量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)取決于很多因素,，重要的是谷歌的確實(shí)現(xiàn)了 50 比特以上、各方面參數(shù)接近優(yōu)秀的系統(tǒng),，這一點(diǎn)難能可貴,。
不過(guò)，張勝譽(yù)認(rèn)為谷歌主張的量子計(jì)算雙指數(shù)發(fā)展規(guī)律并不太可能實(shí)現(xiàn),。
麻省理工學(xué)院量子物理博士在讀的 @ 少司命 則對(duì)于這篇論文進(jìn)行了簡(jiǎn)單的解讀：
在硬件方面，谷歌家一直用的是超導(dǎo)電路系統(tǒng),，這里是 54 個(gè)物理比特 (transmon) 排成陣列,，每個(gè)比特可以與臨近的四個(gè)比特耦合在一起，耦合強(qiáng)度可調(diào) (從 0 到大概 40MHz),。
文章最重要的部分,，谷歌在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)隨機(jī)量子電路的采樣，而在已知的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上需要的時(shí)間則非常非常之久,，像文中實(shí)現(xiàn)的最極端的例子是,，對(duì)一個(gè) 53 比特 20 個(gè) cycle 的電路采樣一百萬(wàn)次，在量子計(jì)算機(jī)上需要 200 秒,，而用目前人類最強(qiáng)的經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣情況下則需要一萬(wàn)年,。亦即在這個(gè)問(wèn)題上，量子實(shí)現(xiàn)了對(duì)經(jīng)典的超越,。*
這里的 cycle 指的是對(duì)這些比特做操作的數(shù)目,，一個(gè) cycle 包含一系列單比特操作和雙比特操作，可以近似理解為電路的深度 (circuit depth),。對(duì)于最大的電路,，即 53 個(gè)比特 20 個(gè) cycle 的情況，在量子處理器上做一百萬(wàn)次采樣后得到 XEB 保真度大于 0.1% (5 倍置信度),，用時(shí)大概 200 秒,。而要在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬的話，因?yàn)楸忍財(cái)?shù)目很多整個(gè)的希爾伯特空間有 2^53~10^16 而且還有那么多電路操作,，這已經(jīng)超出了我們現(xiàn)在超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力 (within considerable time),。
就像文中舉的另一個(gè)例子，用 SFA 算法大概需要 50 萬(wàn)億 core-hour(大概是一個(gè) 16 核處理器運(yùn)行幾億年吧), 加 10^13 kWh 的能量 (也就是一萬(wàn)億度電...),，可以想見(jiàn)是多么難的事情了,。而量子這個(gè)問(wèn)題上為啥會(huì)比經(jīng)典好也非常容易理解，用到的就是量子運(yùn)算的并行性,，即量子態(tài)可以是疊加態(tài)可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)遍歷整個(gè)希爾伯特空間,，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬的話需要的資源則是隨著比特?cái)?shù)目指數(shù)增加的。
當(dāng)然有沒(méi)有可能是有些更好的經(jīng)典采樣算法和量子的差不多,，只是我們沒(méi)有找到呢,？文中沒(méi)有給出很直接的回答，他們認(rèn)為從復(fù)雜度分析來(lái)講經(jīng)典算法總是會(huì)隨著比特?cái)?shù)和 cycle 指數(shù)增加的，而且即使未來(lái)有一些更好的經(jīng)典算法,，到時(shí)候量子的處理器也發(fā)展了所以還是會(huì)比經(jīng)典的好,。
最后 @ 少司命 認(rèn)為，我們對(duì)于谷歌新研究感到振奮的同時(shí)也要保持清醒,，我們離著實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的完全功力還有很遠(yuǎn)的距離,。硬件上有集成化的問(wèn)題，比如這里的超導(dǎo)比特系統(tǒng)要加微波 control 要諧振腔 readout,，比特?cái)?shù)目增加后有空間不足和 cross-talk 等各種問(wèn)題,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我們圖中看到的一個(gè)小芯片那么簡(jiǎn)單。再一個(gè)比特?cái)?shù)多了電路深度大了怎么繼續(xù)提高保真度也是很大問(wèn)題,，像這篇文章里 53 個(gè)比特到第十幾個(gè) circuit cycle 時(shí)候保真度只有 10 的負(fù)二次方量級(jí)了,，怎么 decorrelate error 實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，最終實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算等等,，這些都是硬件上的挑戰(zhàn),。
算法上，除了這里的采樣問(wèn)題（由此延伸的可以解決的問(wèn)題其實(shí)是非常有限的）,，又有哪些問(wèn)題是可以證明量子比經(jīng)典有顯著優(yōu)勢(shì)的,，可不可以設(shè)計(jì)一些算法使得量子計(jì)算機(jī)能解決經(jīng)典不能解決的問(wèn)題，或者量子比經(jīng)典有顯著的加速,，就像文章最后所說(shuō)的：
在 NISQ(noisy-intermediate scale quantum computer) 的時(shí)代 (如下圖),，雖然我們離綠色真正的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)還很遠(yuǎn)，但是現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入到藍(lán)色區(qū)域相信在未來(lái)幾年會(huì)有一些
當(dāng)然,，@ 少司命只是表達(dá)了自己的看法,，至于論文究竟如何，大家還需要自己去讀一下,。
被 NASA 刪除的「量子霸權(quán)」論文
以下是谷歌論文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》的大部分內(nèi)容,，供大家參考：
引言
20 世紀(jì) 80 年代早期，Richard Feynman 提出,，量子計(jì)算機(jī)將成為解決物理,、化學(xué)難題的有效工具，因?yàn)橛脗鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬大規(guī)模量子系統(tǒng)的開(kāi)銷呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),。實(shí)現(xiàn) Feynman 所描述的愿景需要面臨理論和實(shí)驗(yàn)方面的重大挑戰(zhàn),。首先，量子系統(tǒng)能否被設(shè)計(jì)為一個(gè)足夠大的計(jì)算（希爾伯特）空間來(lái)執(zhí)行計(jì)算并且錯(cuò)誤率夠低,、速度夠快呢,？其次，我們能否提出一個(gè)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很難但對(duì)量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很容易的問(wèn)題,？谷歌的研究者通過(guò)一個(gè)超導(dǎo)量子比特處理器在一個(gè)新的基準(zhǔn)任務(wù)中解決了上面兩個(gè)問(wèn)題,。該實(shí)驗(yàn)是邁向量子霸權(quán)的一個(gè)里程碑事件,。
谷歌的研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，量子加速可以在現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),，而且不受任何潛在物理定量的限制,。量子霸權(quán)也預(yù)示著有噪聲的中等規(guī)模量子（Noisy Intermediate- Scale Quantum，NISQ）技術(shù)的到來(lái),。該基準(zhǔn)任務(wù)可以直接應(yīng)用于生成可證明的隨機(jī)數(shù),；這種計(jì)算能力也可以用于優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí),、材料科學(xué),、化學(xué)等領(lǐng)域。然而,，完全實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算還需要設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)能力的邏輯量子比特,。
為了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán),，研究者在誤差校正方面也實(shí)現(xiàn)了許多技術(shù)突破,。他們開(kāi)發(fā)了快速、高保真門,，可以在二維量子比特陣列上同時(shí)執(zhí)行,。他們使用交叉熵基準(zhǔn)（XEB）在組件和系統(tǒng)層面校準(zhǔn)了用到的量子計(jì)算機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試,。最后,，他們使用組件級(jí)的保真度來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步表明量子信息在擴(kuò)展至大型系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)與預(yù)期一致,。
實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的計(jì)算任務(wù)
為了展示量子霸權(quán),，研究者在一個(gè)偽隨機(jī)量子電路輸出的采樣任務(wù)中將他們的量子計(jì)算機(jī)與當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了比較。隨機(jī)電路是進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的一個(gè)合理選擇,，因?yàn)樗鼈儧](méi)有結(jié)構(gòu),，因此可以保證有限的計(jì)算難度。研究者通過(guò)重復(fù)應(yīng)用單量子比特和雙量子比特邏輯運(yùn)算來(lái)設(shè)計(jì)一組量子比特糾纏的電路,。對(duì)量子電路的輸出進(jìn)行采樣,，可以產(chǎn)生一組比特串（bitstring），如 {0000101, 1011100, ...},。由于量子干涉,，比特串的概率分布類似于激光散射中的光干擾產(chǎn)生的斑點(diǎn)強(qiáng)度模式，因此,，一些比特串比其他比特串更容易出現(xiàn),。隨著比特?cái)?shù)和門循環(huán)數(shù)量的增加，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算這種概率分布的難度呈指數(shù)級(jí)增加,。
構(gòu)建和表征高保真的處理器
圖 1：Sycamore 量子處理器,。a. 該處理器的布局,，有 54 個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特用耦合器（藍(lán)色）與四個(gè)最近的量子比特相連,；b. Sycamore 芯片的光學(xué)圖像,。
研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)名為「Sycamore 的」量子處理器，包含一個(gè)由 54 個(gè) transmon 量子比特組成的二維陣列,，每個(gè)量子比特都以可調(diào)的方式與周圍四個(gè)最近鄰的量子比特耦合,。連接是向前兼容的，使用表層代碼進(jìn)行誤差修正,。該設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)突破是實(shí)現(xiàn)高保真的單和雙量子比特運(yùn)算,，這不僅是在隔離的情況下，而且在對(duì)多個(gè)量子比特同時(shí)進(jìn)行門運(yùn)算的情況下,，還能進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算,。
論文將討論以下要點(diǎn)：
在一個(gè)超導(dǎo)電路中，導(dǎo)電電子凝聚成宏觀量子態(tài),，使電流和電壓具有量子物理特性,。該量子計(jì)算機(jī)使用的是 transmon 量子比特，可以看做是 5-7GHz 的非線性超導(dǎo)諧振器,。該量子比特被編碼為諧振電路的兩個(gè)最低量子本征態(tài),。每個(gè) transmon 有兩個(gè)控制器：一個(gè)用來(lái)激發(fā)量子比特的微波驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)用來(lái)調(diào)整頻率的磁通控制器,。每個(gè)量子比特被連接到一個(gè)用于讀取其狀態(tài)的線性諧振器,。
如下圖 1 所示，每個(gè)量子比特也使用一個(gè)新的可調(diào)耦合器與周圍相鄰的量子比特相連,。該耦合器的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)從 0 到 40MHz 的量子間耦合快速調(diào)整,。由于一個(gè)量子比特不能正常工作，該裝置其實(shí)使用了 53 個(gè)量子比特和 86 個(gè)耦合器,。
圖 2. 系統(tǒng)規(guī)模的 Pauli 和測(cè)量誤差,。a.Pauli 誤差（黑、綠,、藍(lán)）的經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)和度數(shù)誤差（橙）,；b. 展示單量子比特和雙量子比特 Pauli 誤差的熱圖。
量子霸權(quán)的保真度估計(jì)
偽隨機(jī)量子電路生成的門序列（gate sequence）如下圖 3 所示,。形成「量子霸權(quán)電路」的門序列設(shè)計(jì)用于將創(chuàng)建高度糾纏態(tài)（highly entangled state）所需的電路深度最小化,，從而保證計(jì)算復(fù)雜性和經(jīng)典難度。
圖 3：量子霸權(quán)電路的控制操作,。a. 實(shí)驗(yàn)中使用的量子電路示例,；b. 單量子比特和雙量子比特門的控制信號(hào)波形圖。
圖 4：量子霸權(quán)演示,。
確定經(jīng)典計(jì)算開(kāi)銷
谷歌研究者模擬了實(shí)驗(yàn)中用在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的量子電路,，這樣做是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：（1）在可能的情況下通過(guò)可簡(jiǎn)化的電路來(lái)計(jì)算 F_XEB,，進(jìn)而驗(yàn)證量子處理器和基準(zhǔn)測(cè)試方法（上圖 4a）；（2）估算 F_XEB 以及采樣硬件電路所需的經(jīng)典計(jì)算開(kāi)銷（上圖 4b）,。在多達(dá) 43 個(gè)量子比特的情況下,，研究者利用薛定諤算法（SA）來(lái)模擬完整量子態(tài)的演化，發(fā)現(xiàn) Jülich 超級(jí)計(jì)算機(jī)（10 萬(wàn)核心,、250TB）能運(yùn)行最大的用例,。
如果超出 43 量子比特，則沒(méi)有足夠的 RAM 來(lái)存儲(chǔ)量子態(tài),。對(duì)于量子比特?cái)?shù)量更多的情況,，研究者利用薛定諤-費(fèi)曼混合算法（hybrid Schr?dinger-Feynman algorithm，SFA）在谷歌數(shù)據(jù)中心運(yùn)行,，以計(jì)算單個(gè)比特串的振幅,。SFA 算法將電路分解為兩個(gè)量子比特塊，并在使用一種類似于費(fèi)曼路徑積分的方法將它們連接起來(lái)之前,，通過(guò)薛定諤算法高效地模擬每個(gè)量子比特塊,。雖然 SFA 算法更能節(jié)約內(nèi)存，但隨著連接量子比特塊的路徑和門數(shù)量的指數(shù)增長(zhǎng),，電路深度也相應(yīng)增加,，因而該算法的計(jì)算開(kāi)銷也呈指數(shù)增加,。
在谷歌云服務(wù)器上,，研究者做出估計(jì)，利用 SFA 算法執(zhí)行 0.1% 保真度的同一任務(wù)（m = 20）將花費(fèi) 50 萬(wàn)億核心小時(shí)（core-hour）,，消耗 1 拍瓦（petawatt）時(shí)的能量,。然而，對(duì)量子處理器上的電路采樣 300 萬(wàn)次只需 600 秒,，采樣時(shí)間受限于控制硬件通信,。事實(shí)上，量子處理器純工作時(shí)間約為 30 秒,。這個(gè)最大電路的比特串樣本在網(wǎng)絡(luò)上存檔,。
人們可能想知道，算法創(chuàng)新能夠?qū)⒔?jīng)典模擬提高多少,?；趶?fù)雜性理論，研究者做出假設(shè),，該算法任務(wù)的開(kāi)銷在 n 和 m 上都是指數(shù)級(jí)的,。的確，過(guò)去數(shù)年,，模擬算法一直在穩(wěn)步改進(jìn),。研究者希望最終實(shí)現(xiàn)較本文中更低的模擬開(kāi)銷,，但預(yù)計(jì)將始終會(huì)被更大量子處理器上的硬件提升所超越。
未來(lái)會(huì)怎么樣,？
凡此種種,，量子處理器最終實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域的霸權(quán)。谷歌研究者期望量子處理器的計(jì)算能力可以繼續(xù)以雙指數(shù)率增長(zhǎng)：模擬量子電路的經(jīng)典開(kāi)銷隨計(jì)算體積的增大而增加,，并且硬件的提升將有可能遵循量子處理器的摩爾定律,，使得計(jì)算體積每幾年就增大一倍。為了保持雙指數(shù)增長(zhǎng)率并最終提供能夠運(yùn)行 Shor 或 Grover 等已知的量子算法所需的計(jì)算體積,，量子誤差校正工程將成為以后的關(guān)注重點(diǎn),。
由 Bernstein 和 Vazirani 制定的「擴(kuò)展邱奇-圖靈論題（Extended Church-Turing Thesis）」聲稱，圖靈機(jī)器可以有效地模擬任何「合理的」計(jì)算模型,。谷歌研究者的實(shí)驗(yàn)表明,，現(xiàn)在有一種計(jì)算模型可能違背了這種說(shuō)法。他們已經(jīng)利用物理實(shí)現(xiàn)的量子處理器（非常低的誤差率）在多項(xiàng)式時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)的量子電路采樣,，但目前對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言不存在有效的方法,。得益于這些進(jìn)展，量子計(jì)算正從一個(gè)研究課題過(guò)渡到一項(xiàng)能夠開(kāi)發(fā)新的計(jì)算能力的技術(shù),，并且離有價(jià)值的短期量子應(yīng)用只缺少有創(chuàng)造性的算法了,。
雖然在實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的道路上，谷歌可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重要的里程碑,，但我們和量子計(jì)算的黃金時(shí)代還有一段距離要走,。