200秒=超算1萬年，“量子霸權”意味著什麼？

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原標題：200秒=超算1萬年，谷歌實現“量子霸權”論文上架隨即被撤回，引發全球熱議

文/邊策 栗子

量子計算機用3分20秒完成的一項計算，全球最強大的超算Summit要花1萬年。

這個成果，來自谷歌最新的量子計算研究，發表在NASA官網上。論文宣佈，“量子霸權”實現了。

英國政府的量子技術顧問

Steve Brierley

說：

“這是第一次有人證明，量子計算機的效能真的能超過經典計算機。

是個了不起的成就。”

另外，美國民主黨的總統參選人楊安澤，推特轉發了這則，引起強烈關注，一日便有5100人點贊：

“大事啊，至少說明，沒有什麼破解不了的密碼了。”

雖然，NASA沒過多久便

下架

了這篇論文，但正因如此，人類反而對谷歌新的成果更加好奇了。

一窺論文

NASA匆匆撤下了論文，我們仍然能從網頁快取中一窺論文的內容。

谷歌在論文摘要中說：

“我們使用具有53個超導量子位的可程式設計處理器，佔用狀態空間為253≈1016。重複實驗的測量結果會取樣相應的機率分佈。

我們使用經典模擬進行驗證。雖然我們的處理器大約需要200秒來取樣一

百萬個量子電路例項，但是一臺先進的超級計算機將需要大約1萬年的時間來執行等效的任務。

相對於所有已知經典演算法而言，這種巨大的提速在實驗中實現了計算任務上的量子霸權，並預示了人們期待已久的計算正規化的出現。”

在摘要中，谷歌揭示了這臺量子計算機強大的原因，由於量子力學中物體的狀態是在希爾伯特空間中演化，因此只需53個量子位就可以模擬1016種狀態，而這個數字已經超出了當今超級計算機的運算能力（一般是等價於50個量子位元）。

主要指出的是谷歌雖然實現了72個量子位的晶片，但這和72位量子計算機是兩回事。谷歌Bristlecone晶片是利用9個相同模式的量子位元進行耦合，然後依次擴展出去，並非實現了兩兩量子位元之間的耦合。

量子計算機的實際應用也面臨諸多問題。由於在於0和1兩種狀態之間的能量差太小，需要降低到絕對零度附近，才能防止被熱量所破壞。

此外，粒子之間狀態的耦合也有時間限制，時間一長，兩個粒子將不再“相干”。在進行量子計算實驗時，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），否則運算結果將不再可信。

今年3月，谷歌在一篇論文中給出瞭如下的量子計算機演化概念圖：

這張圖顯示了量子計算錯誤率和量子位元數之間的關係。谷歌量子人工智慧實驗室的預期研究方向為圖中紅色曲線，他們希望透過建立糾錯量子計算機，降低錯誤率，從而將這項技術推入右下角的綠色可用區域。

什麼是量子霸權

量子霸權

，也叫

量子優勢

，即在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經典計算機幾乎不可能完成的任務。

比如在一天之內破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現通用人工智慧、快速模擬分子模型。

提出這一假想的原因是，量子計算機的發展似乎遵循著

“內文定律”

，而經典計算機遵循著“摩爾定律”。

△

提出內文定律的Hartmut Neven

摩爾定律為大眾所熟知，即計算機晶片的電晶體密度每18個月翻一番，算力增強一倍，這是一種指數增長的規律。但是近年來隨著電晶體的尺寸逐漸逼近物理學極限，這一定律已經放緩甚至失效。

而來自谷歌量子人工智慧實驗室的負責人Hartmut Neven認為，量子計算機的速度正在以雙指數的速度增長。雙指數是指數之上再加一層指數，形式如下：

Neven認為，量子計算機比經典計算機存在著兩個指數優勢：

首先，量子位相比普通位具有效率優勢，如果一個量子電路具有4個量子位，那麼需要一個具有16個普通位的經典電路才能實現等效的計算能力。

其次，量子晶片也在快速改進。谷歌量子晶片正在以指數級的速度發展，這種快速的改善是由於量子電路中錯誤率的降低。而降低錯誤率能幫助我們構建更大的量子晶片。

雙指數的增長速度遠遠快於指數函式，因此谷歌認為雖然量子計算機速度現在遠不及經典計算機，但是總有一天會超過後者。

這可不僅僅是谷歌研究人員的自賣自誇，實際上谷歌實驗室也是按照雙指數規律的速度在推進著：去年12月，一臺膝上型電腦即可模擬谷歌最好的量子計算機；到了今年1月，一臺功能強大的桌上型電腦才可與之媲美；而到了今年2月，經典計算機的速度已經不能和量子計算機匹敵，無法再模擬後者了。

為何由NASA釋出

也許你會好奇，谷歌的論文為何要在NASA官網上釋出。其實谷歌去年就已經和NASA展開合作，並且立下了flag：要在今年實現所謂量子霸權，即讓量子計算機的運算能力遠遠超過經典計算機。

2018年7月，谷歌宣佈與NASA建立合作伙伴關係，計劃將量子計算機上執行的結果，與經典模擬進行比較，實現所謂的“量子霸權”，而且當時的谷歌預測在今年就可以實現。

雙方合作使用的量子晶片名字叫做

Bristlecone

，總共包含72個量子位元。由於Bristlecone需要將超導電路維持在絕對零度附近，因此無法將其從谷歌的實驗室搬走。NASA研究人員只能透過谷歌的雲API遠端連線Bristlecone。

雙方將共同研究如何將“各種各樣的最佳化和取樣問題”對映到Bristlecone量子計算系統上。

按照雙方的約定，今年年初，他們在NASA最強的超級計算機Pleiades上對執行這些模擬所必需的軟體進行編碼，並在合同簽訂後的12個月，即今年7月，比較量子電路模擬和谷歌量子計算機硬體的結果。

雖然谷歌和NASA持非常樂觀的態度，但業界也有人這個flag要倒。

阿里巴巴資料基礎設施和搜尋技術部門的研究人員發表了一篇論文，認為要實現量子霸權可能需要錯誤率更低的量子晶片。

南加州大學量子資訊科學與技術中心主任Daniel Lidar也對此表示懷疑。他接受麻省理工科技評論時說：“（實現量子霸權）似乎還需要其他方式抑制錯誤。”

如果這篇論文通過了同行評審，則意味著谷歌和NASA的flag沒有倒，而且量子計算將進入一個新的時代。

創造歷史

幾十年來，量子計算這個領域，都籠罩在一個強大的假設之下：

“任何其他型別的計算機，能夠高效完成的計算，

經典計算機

也都能高效完成。”

這個假設，來自“廣義邱奇-圖靈論題” （Extended Church Turing Thesis） 。

如今，谷歌的量子計算機用

3分20秒

完成的計算，交給全球排名第一的超級計算機Summit，大概需要

1萬年

。這就打破了人類曾經的猜想。

谷歌說：

“這標誌了第一個只能用量子處理器執行的運算。

在通往全面量子計算的路上，這是一個里程碑。

量子機器的算力，將會以雙指數速度增長。”

當然，這項前所未有的成就，不止是谷歌自家的狂歡。

為英國政府擔任量子技術顧問的

Steve Brierley

，已經在領域裡工作了20年，還是量子軟體初創公司Riverlane的創始人。他強調說：

“第一次有人證明，量子計算機的效能真的能超過經典計算機。

這是個了不起的成就。”

走到領域之外，美國民主黨的總統參選人楊安澤 （Andrew Yang） ，是這樣說的：

“谷歌達成量子霸權是個大事。先不說別的，這至少意味著，沒有不能破解的程式碼了。”

他的這條推特，已經收穫了5100贊。

不久之後，楊還補充了一條：

“我們的加密技術也得跟上啊。”

這條推特，又獲得了3200贊。

下一步呢

量子霸權實現了，但故事並沒有結束。

在許多人的眼裡，量子霸權是一個人為設定的里程碑：只要在任何一項任務上，證明量子計算機超過經典計算機就可以了。

怎樣的任務都可以，也就不一定有現實意義。比如，谷歌給量子計算機的任務是：鑑定一個隨機數生成器，是不是真的隨機。

所以，一個里程碑之後，還有另一個里程碑要趕去。

實用性

IBM的量子計算戰略負責人Robert Sutor，提到了一個“

量子優勢

（Quantum Advantage） ”概念，那是一個實用性的里程碑：

量子優勢，是在一個真實應用場景 （比如金融服務、AI、化學裡面） ，量子計算機做出了比任何經典計算機要明顯優秀的工作。

作為谷歌的對手，IBM一直在探索量子計算的應用，與摩根大通、梅賽德斯賓士都有這一方面的合作。最近他們還在線上對外開放了一臺53位元的通用量子計算機。

IBM說，量子霸權這個詞他們並

不用

，也

不在意

。

不過，谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家Fernando Brando相信：

在達成量子霸權之前，量子計算機不可能做出什麼有意思的事。

現在，就算量子計算機做的任務還沒有實際意義，研究人員還是可以從中學到經驗，今後開發出更有用的量子計算機。

2018年，波士頓諮詢公司 （BCG） 釋出的報告說，量子計算機可以改變許多領域的遊戲規則：

比如

密碼學

和化學，對化學的影響會廣泛波及材料學，以及農業和製藥等等領域。

人工智慧，機器學習就更不用說了。

另外，物流，製造，金融，能源……也都會出現新的應用。

這個未來，整個世界都在期待著。

容錯率

再下一個里程碑，就是造出一臺容錯的量子計算機。

這樣的計算機，能在一項計算當中實時糾正錯誤，原則上可以實現無錯的量子計算。

目前，主流的方法叫做“Surface Code”，每個執行計算的“邏輯”量子位元，都要有成千上萬個糾錯量子位元來支援。

這遠遠超出了當前量子計算的最強算力。

所以，量子計算到底需不需要容錯能力，也是值得討論的問題。

來自谷歌的Fernando Brando說：

“有許多思路可走，但沒有哪個方向是確定的。”

One More Thing

不過，在走向未來之前，關於這項研究，還有一個直面靈魂的問題：

如果說，超算要1萬年才能算好，怎麼才能知道量子計算機得出的結果是對的呢？

論文快取地址：

https：//filebin。net/k5rr4l0p6ldde7hr/Quantum_Supremacy_Using_a_Programmable_Superconducting_Processor。html

參考連結：

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