提出“量子霸權(quán)”概念的他，怎么看谷歌的量子計算機(jī)？
Sycamore處理器
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“精確控制量子計算機(jī)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(jī)的量子計算機(jī)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(jī)首次完成對最快的經(jīng)典超級計算機(jī)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(jī)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(diǎn)”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(shí)現(xiàn)，他們首次在實(shí)驗(yàn)中證明了量子計算機(jī)對于傳統(tǒng)架構(gòu)計算機(jī)的優(yōu)越性。
量子計算的一個目標(biāo)是以超過傳統(tǒng)經(jīng)典計算機(jī)指數(shù)級倍數(shù)的速度執(zhí)行特定計算任務(wù)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(jī)難以處理，但量子計算機(jī)可以輕松完成的基準(zhǔn)測試。
谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室（QuAIL)的約翰?馬提尼斯（John Martinis）和同事描述了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)所取得的技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的計算空間與經(jīng)典比特所能達(dá)到的相比，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級的增加。由于有1個量子比特?zé)o法有效工作，處理器實(shí)際只用了53個量子比特。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的糾錯流程可以保證較高的運(yùn)算保真度（高達(dá)99.99%）。
為了測試該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一項(xiàng)對量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行采樣的任務(wù)。對于經(jīng)典計算機(jī)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(fèi)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(diǎn)。
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(jī)可以做到經(jīng)典計算機(jī)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(qiáng)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(shí)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(tuán)隊(duì)特別熱情地接受了。
有其他幾個選項(xiàng)我曾考慮卻沒有采用，我認(rèn)為“量子霸權(quán)”最能體現(xiàn)我想要表達(dá)的觀點(diǎn)。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(jī)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典計算機(jī)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(diǎn)。他們使用了一個含有53個量子比特（經(jīng)典計算機(jī)比特的量子類似物）的設(shè)備，他們說，現(xiàn)在最強(qiáng)大的超級計算機(jī)要花費(fèi)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(shí)驗(yàn)物理方面的一項(xiàng)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(shí)驗(yàn)太 “偏心”
正如谷歌團(tuán)隊(duì)所承認(rèn)的，問題在于，他們的機(jī)器以驚人的速度所解決的問題，是為了展示量子計算機(jī)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(shí)際問題。
簡而言之，量子計算機(jī)執(zhí)行隨機(jī)選擇的指令序列，然后對所有的量子比特進(jìn)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(jī)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(jī)的輸出是否與一臺經(jīng)典超級計算機(jī)的輸出相一致（在不需要幾千年的情況下），這個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)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(shí)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(yàn)證如此重要？這是因?yàn)榫_控制量子計算機(jī)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(fèi)了許多年的時間才達(dá)到了我們現(xiàn)在的水平。
NISQ時代曙光初現(xiàn)
谷歌據(jù)稱實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)的里程碑，這是尋求實(shí)用量子計算機(jī)的關(guān)鍵一步。我認(rèn)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(shí)用的應(yīng)用程序。一臺大得多的量子計算機(jī)可能會幫助研究人員設(shè)計新材料和化合物，或者為機(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)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(jī)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(jī)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。
