提出“量子霸權(quán)”概念的他，怎么看谷歌的量子計(jì)算機(jī)？
Sycamore處理器
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“精確控制量子計(jì)算機(jī)是出了名的困難。從某種意義上說(shuō)，僅僅看一眼量子系統(tǒng)，都不可避免地會(huì)擾亂它。”
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(zhǎng)約翰?普雷斯基爾（John Preskill）在談到谷歌創(chuàng)造的第一臺(tái)性能超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)時(shí)發(fā)表的一個(gè)見(jiàn)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(bào)道了量子計(jì)算機(jī)首次完成對(duì)最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)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(jì)算機(jī)大約需要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)。一篇同時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。
量子計(jì)算的一個(gè)目標(biāo)是以超過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)倍數(shù)的速度執(zhí)行特定計(jì)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(jì)算空間的同時(shí)保證計(jì)算錯(cuò)誤率低，以及設(shè)計(jì)一種經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理，但量子計(jì)算機(jī)可以輕松完成的基準(zhǔn)測(cè)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(tái)由54個(gè)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(jì)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(jí)的增加。由于有1個(gè)量子比特?zé)o法有效工作，處理器實(shí)際只用了53個(gè)量子比特。
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的糾錯(cuò)流程可以保證較高的運(yùn)算保真度（高達(dá)99.99%）。
為了測(cè)試該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)對(duì)量子電路產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行采樣的任務(wù)。對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這一任務(wù)的難度會(huì)隨量子電路中量子比特?cái)?shù)的增加而增加。最后，量子處理器在200秒左右的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了100萬(wàn)個(gè)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(lái)完成。
那么，谷歌取得的“量子霸權(quán)”到底意味著什么？來(lái)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(gè)詞來(lái)形容：量子計(jì)算機(jī)可以做到經(jīng)典計(jì)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(guò)這個(gè)新術(shù)語(yǔ)，我想強(qiáng)調(diào)，這是我們星球歷史上的一個(gè)特權(quán)時(shí)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(zhēng)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(chǎng)；
另一個(gè)原因是這個(gè)詞加劇了對(duì)量子技術(shù)現(xiàn)狀的過(guò)度報(bào)道。我預(yù)料到了后者，但沒(méi)有預(yù)料到前者。無(wú)論如何這個(gè)詞已經(jīng)流行了起來(lái)，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(gè)選項(xiàng)我曾考慮卻沒(méi)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(gè)選擇是“量子優(yōu)勢(shì)（quantum advantage）”，這個(gè)詞現(xiàn)在也得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)我來(lái)說(shuō)，“優(yōu)勢(shì)（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(gè)鼻子的長(zhǎng)度取勝，它就有優(yōu)勢(shì)。相反，對(duì)于某些任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度。至少理論上是這樣的。
最近的谷歌論文說(shuō)明了這一點(diǎn)。他們使用了一個(gè)含有53個(gè)量子比特（經(jīng)典計(jì)算機(jī)比特的量子類似物）的設(shè)備，他們說(shuō)，現(xiàn)在最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)要花費(fèi)數(shù)千年的時(shí)間才能做出的計(jì)算，在該設(shè)備上只需幾分鐘的量子計(jì)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(jì)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(wèn)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(wèn)題在于，他們的機(jī)器以驚人的速度所解決的問(wèn)題，是為了展示量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性而精心選擇出來(lái)的，而這些問(wèn)題并不是一些令人感興趣的實(shí)際問(wèn)題。
簡(jiǎn)而言之，量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行隨機(jī)選擇的指令序列，然后對(duì)所有的量子比特進(jìn)行測(cè)量以產(chǎn)生輸出比特串。這種量子計(jì)算的結(jié)構(gòu)非常少，這使得經(jīng)典計(jì)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(guò)檢查他們的量子計(jì)算機(jī)的輸出是否與一臺(tái)經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的輸出相一致（在不需要幾千年的情況下），這個(gè)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(lái)就可以開(kāi)始尋找更有用的應(yīng)用程序了。
為什么對(duì)硬件性能的驗(yàn)證如此重要？這是因?yàn)榫_控制量子計(jì)算機(jī)是出了名的困難。從某種意義上說(shuō)，僅僅看一眼量子系統(tǒng)，都不可避免地會(huì)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(lái)存儲(chǔ)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(shí)，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(guò)測(cè)量量子比特來(lái)獲得我們的計(jì)算結(jié)果。
要建立一個(gè)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(jì)和控制方面已經(jīng)花費(fèi)了許多年的時(shí)間才達(dá)到了我們現(xiàn)在的水平。
NISQ時(shí)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(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。我認(rèn)為，用一個(gè)詞來(lái)描述現(xiàn)在即將到來(lái)的時(shí)代是有意義的，所以我最近編了一個(gè)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(tái)足夠大、足夠精確的量子機(jī)器來(lái)解決我們以前無(wú)法解決的問(wèn)題，這預(yù)示著NISQ時(shí)代的到來(lái)。
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(tái)大得多的量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)幫助研究人員設(shè)計(jì)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(tái)幾百個(gè)量子比特的高噪音量子計(jì)算機(jī)可能無(wú)法提供任何有用的東西。
盡管如此，我們?nèi)匀粚?duì)如何使用NISQ計(jì)算機(jī)有自己的想法，這可能會(huì)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(huì)成功。
通過(guò)使用NISQ技術(shù)來(lái)了解其潛力是很有趣的。我預(yù)計(jì)量子計(jì)算機(jī)將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生革命性的影響，但這可能還需要幾十年的時(shí)間。
資料來(lái)源：
Why I Called It ‘Quantum Supremacy’
Quantum supremacy using a programmable superconducting processor
注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)世界科學(xué)，編譯魏劉偉。
