提出“量子霸權(quán)”概念的他，怎么看谷歌的量子計算機？
Sycamore處理器
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“精確控制量子計算機是出了名的困難。從某種意義上說，僅僅看一眼量子系統(tǒng)，都不可避免地會擾亂它?！?/span>
加州理工學(xué)院理論物理教授兼量子信息和物質(zhì)研究所所長約翰?普雷斯基爾（John Preskill）在談到谷歌創(chuàng)造的第一臺性能超過經(jīng)典計算機的量子計算機時發(fā)表的一個見解。
超越經(jīng)典，谷歌收得霸權(quán)
《自然》（Nature）在今天（10月24日）發(fā)表的一篇論文Quantum supremacy using a programmable superconducting processor 報道了量子計算機首次完成對最快的經(jīng)典超級計算機的超越。
該量子系統(tǒng)只用了約200秒就搞定了經(jīng)典計算機大約需要1萬年才能完成的任務(wù)。一篇同時發(fā)表在《自然》“新聞與觀點”欄目文章Quantum computing takes flight稱這一成就為量子計算的重大里程碑事件。
谷歌就此宣稱“量子霸權(quán)”已經(jīng)實現(xiàn)，他們首次在實驗中證明了量子計算機對于傳統(tǒng)架構(gòu)計算機的優(yōu)越性。
量子計算的一個目標是以超過傳統(tǒng)經(jīng)典計算機指數(shù)級倍數(shù)的速度執(zhí)行特定計算任務(wù)。實現(xiàn)這一目標需要克服許多挑戰(zhàn)，比如在產(chǎn)生較大計算空間的同時保證計算錯誤率低，以及設(shè)計一種經(jīng)典計算機難以處理，但量子計算機可以輕松完成的基準測試。
谷歌量子AI實驗室（QuAIL)的約翰?馬提尼斯（John Martinis）和同事描述了實現(xiàn)量子霸權(quán)所取得的技術(shù)進展。
他們研制了一臺由54個量子比特組成的處理器(名為Sycamore處理器)，該處理器利用量子疊加和量子糾纏實現(xiàn)的計算空間與經(jīng)典比特所能達到的相比，實現(xiàn)了指數(shù)級的增加。由于有1個量子比特無法有效工作，處理器實際只用了53個量子比特。
研究團隊開發(fā)的糾錯流程可以保證較高的運算保真度（高達99.99%）。
為了測試該系統(tǒng)，團隊設(shè)計了一項對量子電路產(chǎn)生的隨機數(shù)字進行采樣的任務(wù)。對于經(jīng)典計算機來說，這一任務(wù)的難度會隨量子電路中量子比特數(shù)的增加而增加。最后，量子處理器在200秒左右的時間內(nèi)從量子電路中采集了100萬個樣本。這一數(shù)字這需要世界第一超算王者Summit花費數(shù)千年來完成。
那么，谷歌取得的“量子霸權(quán)”到底意味著什么？來了解下，提出“量子霸權(quán)”概念的的這位大?！绽姿够鶢柕挠^點。
在2012年，我提出了“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”這個詞來形容：量子計算機可以做到經(jīng)典計算機所做不到的事情，而不管這些任務(wù)是否有意義。通過這個新術(shù)語，我想強調(diào)，這是我們星球歷史上的一個特權(quán)時期，基于量子物理學(xué)原理的信息技術(shù)正在崛起。
事實上，“量子霸權(quán)”一詞是有爭議的，原因有二：
其一，“霸權(quán)”一詞由于與“白人霸權(quán)”的聯(lián)系，引發(fā)了一種令人厭惡的政治立場；
另一個原因是這個詞加劇了對量子技術(shù)現(xiàn)狀的過度報道。我預(yù)料到了后者，但沒有預(yù)料到前者。無論如何這個詞已經(jīng)流行了起來，它已經(jīng)被谷歌量子AI團隊特別熱情地接受了。
有其他幾個選項我曾考慮卻沒有采用，我認為“量子霸權(quán)”最能體現(xiàn)我想要表達的觀點。另一個選擇是“量子優(yōu)勢（quantum advantage）”，這個詞現(xiàn)在也得到了廣泛的應(yīng)用。但對我來說，“優(yōu)勢（advantage）”缺乏“霸權(quán)（supremacy）”的影響力。在比賽中，如果一匹馬以領(lǐng)先一個鼻子的長度取勝，它就有優(yōu)勢。相反，對于某些任務(wù)，量子計算機的速度遠遠超過了經(jīng)典計算機的速度。至少理論上是這樣的。
最近的谷歌論文說明了這一點。他們使用了一個含有53個量子比特（經(jīng)典計算機比特的量子類似物）的設(shè)備，他們說，現(xiàn)在最強大的超級計算機要花費數(shù)千年的時間才能做出的計算，在該設(shè)備上只需幾分鐘的量子計算就能完成。假設(shè)這是真的，這就是實驗物理方面的一項了不起的成就，也證明了量子計算硬件的飛速發(fā)展；我衷心祝賀所有參與其中的人。
硬件問題已解決，演示實驗太 “偏心”
正如谷歌團隊所承認的，問題在于，他們的機器以驚人的速度所解決的問題，是為了展示量子計算機的優(yōu)越性而精心選擇出來的，而這些問題并不是一些令人感興趣的實際問題。
簡而言之，量子計算機執(zhí)行隨機選擇的指令序列，然后對所有的量子比特進行測量以產(chǎn)生輸出比特串。這種量子計算的結(jié)構(gòu)非常少，這使得經(jīng)典計算機很難與之相比，但也意味著給出的答案并不能提供太多的信息。
然而，這種展示仍然意義重大。通過檢查他們的量子計算機的輸出是否與一臺經(jīng)典超級計算機的輸出相一致（在不需要幾千年的情況下），這個團隊已經(jīng)證實了他們了解自己的設(shè)備，并且其表現(xiàn)是符合預(yù)期的。
現(xiàn)在我們知道硬件可以實現(xiàn)，接下來就可以開始尋找更有用的應(yīng)用程序了。
為什么對硬件性能的驗證如此重要？這是因為精確控制量子計算機是出了名的困難。從某種意義上說，僅僅看一眼量子系統(tǒng)，都不可避免地會擾亂它，這是著名的海森堡不確定性原理的一種表現(xiàn)。
因此，如果我們想要使用這樣的系統(tǒng)來存儲和可靠地處理信息，我們就需要保持該系統(tǒng)與外部世界幾乎完全隔離。同時，我們希望量子比特能夠相互作用，以便我們可以處理信息；我們還需要從外部控制系統(tǒng)，并最終通過測量量子比特來獲得我們的計算結(jié)果。
要建立一個滿足所有這些要求的量子系統(tǒng)是很有挑戰(zhàn)性的，而且在材料、制造、設(shè)計和控制方面已經(jīng)花費了許多年的時間才達到了我們現(xiàn)在的水平。
NISQ時代曙光初現(xiàn)
谷歌據(jù)稱實現(xiàn)了量子霸權(quán)的里程碑，這是尋求實用量子計算機的關(guān)鍵一步。我認為，用一個詞來描述現(xiàn)在即將到來的時代是有意義的，所以我最近編了一個詞：NISQ（與risk押韻），這代表“有噪音的中尺度量子（noisy intermediate-scale quantum）”。
谷歌團隊顯然已經(jīng)證明，現(xiàn)在有可能建造一臺足夠大、足夠精確的量子機器來解決我們以前無法解決的問題，這預(yù)示著NISQ時代的到來。
另一方面，谷歌和其他硬件制造商希望為他們的量子設(shè)備找到實用的應(yīng)用程序。一臺大得多的量子計算機可能會幫助研究人員設(shè)計新材料和化合物，或者為機器學(xué)習制造更好的工具，但一臺幾百個量子比特的高噪音量子計算機可能無法提供任何有用的東西。
盡管如此，我們?nèi)匀粚θ绾问褂肗ISQ計算機有自己的想法，這可能會產(chǎn)生更好的優(yōu)化方法或更精確的物理模擬，但我們不確定這些方法是否會成功。
通過使用NISQ技術(shù)來了解其潛力是很有趣的。我預(yù)計量子計算機將對社會產(chǎn)生革命性的影響，但這可能還需要幾十年的時間。
資料來源：
Why I Called It ‘Quantum Supremacy’
Quantum supremacy using a programmable superconducting processor
注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號世界科學(xué)，編譯魏劉偉。
