圖片來源：Google
最新一期《自然》期刊的封面文章，證實了谷歌在量子計算領(lǐng)域的重要進展：谷歌研制的量子計算機首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，其用200秒就能解決的問題，當今最強的超級計算機需要花費1萬年。但是，IBM卻指出，這項研究存在明顯的漏洞。這場爭議因何而起，量子計算究竟發(fā)展到了什么階段？
撰文 | 吳非
一度撤下的重大突破
9月22日，NASA官網(wǎng)上出現(xiàn)了一篇關(guān)于谷歌量子計算的論文。盡管當時只是發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站，但論文一經(jīng)公布，便引起轟動。因為谷歌在論文中宣布，他們?nèi)〉昧肆孔佑嬎泐I(lǐng)域的里程碑式突破：一個包含53量子比特的處理器，首次實現(xiàn)了量子霸權(quán)。
量子計算機有著遠超傳統(tǒng)計算機的潛力，這已經(jīng)是相關(guān)科學家的共識。一個直觀的理由是，傳統(tǒng)計算機的比特，也就是基本信息單位，只能是0、1這兩種狀態(tài)中的一個；而量子比特可以是0和1的疊加態(tài)，即同時處于這兩種狀態(tài)。因此，量子比特存儲信息的潛能比傳統(tǒng)的比特更強。
不過，雖然理論很誘人，但量子計算機的實踐卻并不順利。一個限制因素是時間：量子相干的時間是有限的，如果量子退相干之前，量子計算還沒有完成，那么最終的運算結(jié)果自然沒有意義。此外，量子計算需要在接近絕對零度的低溫下進行，因為熱量可能會干擾、破壞量子態(tài)。
因此，量子計算面臨著巨大的挑戰(zhàn)：參與耦合的量子比特越多，其運算能力將以驚人的雙指數(shù)增長；但與此同時，機器保持量子態(tài)的難度也越大。
2012年，加州理工學院的量子物理學教授約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在一篇文章中提出了“量子霸權(quán)”（quantum supremacy；也有譯作“量子優(yōu)越性”，但supremacy原有霸權(quán)、至上的涵義）的概念。簡單地說，量子霸權(quán)要求量子計算機能夠完成經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的任務(wù)。通常人們認為，需要大約50個量子比特，能達到量子霸權(quán)。但很長一段時間內(nèi)，這都是研究團隊難以企及的目標。
因此，當谷歌的論文在一個月前突然上線，很多人的第一反應(yīng)是不可思議。而且，NASA網(wǎng)站上的論文很快又被刪除，這使得谷歌的量子計算研究又增添了一絲神秘色彩。如今，隨著這篇論文以封面論文的形式出現(xiàn)在最新一期的《自然》期刊，谷歌的工作最終得到了證實。在這項研究中，谷歌團隊是怎樣實現(xiàn)量子霸權(quán)的？
隨機數(shù)采樣實驗
在這篇論文中，約翰·馬丁尼斯（John Martinis）帶領(lǐng)的團隊構(gòu)建了一個名為Sycamore的量子芯片。這個芯片由140個量子比特構(gòu)成。其中54個是Transmon量子比特，用于儲存信息；另外86個量子比特則用作耦合器，連接上述量子比特。最終，每個Transmon和4個耦合器相連，組成如下圖所示的量子電路。不過，由于其中一個Transmon出現(xiàn)了故障，最終用于演示量子霸權(quán)的量子比特是53個。
研究團隊首先利用這個系統(tǒng)進行了單量子比特和雙量子比特計算，其保真度在99%~99.9%之間——這是令研究者滿意的數(shù)據(jù)。隨后，他們設(shè)計了一項對傳統(tǒng)計算機而言非常困難的任務(wù)：對電路產(chǎn)生的隨機數(shù)進行采樣。正是在這項任務(wù)中，出現(xiàn)了報道中最震撼的數(shù)據(jù)：Sycamore在200秒內(nèi)完成的任務(wù)，傳統(tǒng)計算機需要花費1萬年之久。
我們知道，每個量子比特可以生成0和1兩個數(shù)字中的一個，那么這53個量子比特共同組成的數(shù)字串有253種可能性。如果是傳統(tǒng)的電路，每種結(jié)果出現(xiàn)的可能性是完全一致的，但量子電路卻并非如此：由于量子比特之間存在相干性，就像是干涉實驗中粒子集中在某些條紋，這項實驗中一些數(shù)字串出現(xiàn)的可能性也更高。研究者令Sycamore對量子電路進行采樣，運行100萬次后，計算字符串的概率分布。采樣數(shù)量越多、每次采樣的深度越深，任務(wù)的難度也就越大。研究團隊還與目前最強的傳統(tǒng)計算機——美國橡樹嶺國家實驗室的Summit進行了對比。
Sycamore量子芯片
進行100萬次采樣、每次采樣的深度為20層時，Sycamore用時200秒，保真度為0.2%。而Summit超級計算機盡管包含了超過9000個強大的中央處理器，以及近2.8萬個圖像處理器，卻需要1萬年才能完成這一任務(wù)。如此大的差距，足以讓谷歌宣稱量子霸權(quán)的到來。
當然，需要說明的是，這項研究的目的不在于證明量子計算機的實際用途，他們挑選的任務(wù)也不具備真正的應(yīng)用價值，而僅僅是展示量子計算機的能力。因此，距離量子計算的下一個重要里程碑——真正通用的量子計算機，依然遙遠。
又一個“Hello world”
但無論如何，這項成果仍舊令人振奮——至少谷歌CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）是這樣認為的。就在論文發(fā)表的當天，皮查伊在官網(wǎng)上發(fā)布了一篇題為《量子計算里程碑的意義》的博文。皮查伊在博文回顧了谷歌在量子計算領(lǐng)域的漫長研究歷程：
2006年，谷歌科學家、現(xiàn)為谷歌AI量子實驗室主任的哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）開始探索，量子計算能否加速機器學習。在此基礎(chǔ)上，谷歌的AI量子團隊誕生。2014年，團隊迎來了重要人物：馬丁尼斯帶領(lǐng)他在加州大學圣塔芭芭拉分校的團隊加入谷歌。兩年后，塞爾吉奧·博伊克索（Sergio Boixo）發(fā)表了一篇文章后，團隊開始聚焦量子霸權(quán)的計算任務(wù)。不過，團隊此后的研究道路其實并不順利。轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在去年10月。當谷歌在圣塔芭芭拉的實驗室因南加州大火關(guān)閉時，研究團隊在被迫休假期間突然有了靈感，最終全新的思路轉(zhuǎn)化成今天的成果。
皮查伊寫道，這是一個期待已久的“Hello world”時刻：“今天的新聞，就像火箭第一次脫離地球引力、飛向太空時，人們會說，‘到了太空卻什么都不做，這有什么意義？’但在科學層面，這卻是重要的第一步，從此人們可以想象前往月球、火星，甚至是星際旅行。它向我們展示了什么是可能發(fā)生的。無論如何，這是全球量子計算領(lǐng)域的里程碑：一個充滿可能性的時刻。”
在接受媒體采訪時，皮查伊還舉了另一個例子來說明成果的開創(chuàng)性意義：就像萊特兄弟發(fā)明飛機時的第一次試飛，盡管只有12秒，但它證明了人類飛行的可能性。
1萬年還是2.5天？
但是，也有人并不認同谷歌的說法。就在本周一，谷歌在量子計算領(lǐng)域的直接競爭對手IBM也發(fā)表了一篇未經(jīng)同行評議的預(yù)印本論文，而這篇文章的矛頭直指谷歌宣稱的“量子霸權(quán)”。論文指出，谷歌的論文中有明顯的bug：他們低估了經(jīng)典計算機的處理問題能力。IBM的科學家認為，Summit超級計算機完成這項任務(wù)所需的時間不是1萬年，而是兩天半。如此巨大的差異，是如何出現(xiàn)的？
IBM的論文指出，谷歌之所以得出1萬年的結(jié)論，是因為他們只考慮了經(jīng)典計算機的內(nèi)存。在谷歌的論文中，超級計算機通過薛定諤算法模擬量子態(tài)。但問題來了，一旦量子比特數(shù)超過40，超級計算機的內(nèi)存就不夠用了。這時，研究者只能采用薛定諤-費曼混合算法，即將電路分為兩部分、分別采用薛定諤算法，再通過類似于費曼路徑積分的方法連接兩個模塊。通俗地說，這種方法用時間換取了空間：內(nèi)存不足的問題解決了，但也消耗了大量時間。但是，谷歌團隊忽略了計算機的硬盤。如果結(jié)合內(nèi)存和硬盤的存儲能力，那么計算機將不需要使用薛定諤-費曼混合算法。
再加上論文中超級計算機使用的算法可以進一步優(yōu)化，綜合考慮這些因素，Summit執(zhí)行這項任務(wù)只需要兩天半——這還只是最保守的估計。即使到了54個量子比特，Summit的用時也只不過是6天。
因此IBM認為，盡管谷歌的量子芯片依然擁有速度優(yōu)勢，但相較于谷歌提出的10億倍的差距，200秒與兩天半的差距顯然談不上“霸權(quán)”。
IBM提出質(zhì)疑的另一個原因是，他們認為“量子霸權(quán)”這個詞的使用逐漸脫離了本意，而且對公眾而言存在誤導性：量子霸權(quán)只是在特定的問題上具有優(yōu)勢，而且，量子計算機并不是要真正“超越”傳統(tǒng)計算機。相反，未來兩者將共同協(xié)作，更加高效地解決問題。
對此，谷歌論文的通訊作者Martinis在電話發(fā)布會上給出了回應(yīng)。他歡迎其他人使用超級計算機對實驗結(jié)果進行驗證：“我們期待有人在Summit上進行運算、檢驗相關(guān)數(shù)據(jù)，因為這是科學流程的一部分。只有經(jīng)過測試，我們才能確定，IBM提出的算法能否奏效?！盡artinis也堅稱，即使如IBM所言，目前的超算可以在3天內(nèi)解決這個問題，但谷歌量子芯片的優(yōu)勢依然可以稱得上是“量子霸權(quán)”。
IBM的論文觀點如何，還有待同行評議。但無論如何，谷歌的最新研究使得量子計算前進了一大步。正如皮查伊在采訪中說的那樣，希望人們不要過度糾結(jié)于量子霸權(quán)是否實現(xiàn)，而是更多地關(guān)注研究本身，以及領(lǐng)域的長期發(fā)展。
相關(guān)論文：
https://nature.com/articles/s41586-019-1666-5
https://arxiv.org/abs/1910.09534
參考鏈接：
https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z
https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
https://www.newscientist.com/article/2221108-google-hits-back-at-ibms-quantum-supremacy-challenge/
