2019年8月23日，谷歌在持續(xù)重金投入量子計(jì)算13年后，成功摘取量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑：實(shí)驗(yàn)證明“量子優(yōu)越性”，在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)可以大大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力了。雖然，費(fèi)曼在38年前就提出了量子并行計(jì)算的概念，但是，這個(gè)第一次真正確信無疑地演示這種超級(jí)計(jì)算能力，花費(fèi)了全世界科學(xué)家們幾十年的努力。有國際專家把這個(gè)成果比喻為萊特兄弟的首飛，雖然當(dāng)時(shí)的飛行器非常簡陋，飛行只持續(xù)了12秒，完全沒有實(shí)用價(jià)值，但是這預(yù)示了一個(gè)新技術(shù)時(shí)代即將到來的曙光。
應(yīng)該指出的是，谷歌的階段性實(shí)驗(yàn)絕不是終點(diǎn)，而是一個(gè)起點(diǎn)。今年9月份在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國際大會(huì)的白皮書指出，量子計(jì)算研究可以沿如下路線開展：“第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，這一階段性目標(biāo)將在近期實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)具有應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬系統(tǒng)；第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，還需要全世界學(xué)術(shù)界的長期艱苦努力?！?/span>
——潘建偉（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，“賽先生”總編輯）
谷歌量子計(jì)算機(jī)Sycamore的量子比特線路，采用超導(dǎo)材料搭建，置于極低溫環(huán)境中。（圖源：Google）
撰文 | 黃合良
10月23日，權(quán)威雜志Nature刊出了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的的最新科研工作“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”。至此，谷歌宣稱的“量子優(yōu)越性”終于“坦然公布于眾”。事實(shí)上，谷歌的論文在9月就曾被NASA披露，雖不久后被悄悄刪除，但該論文已經(jīng)在業(yè)內(nèi)流傳開，并且引起了軒然大波。論文報(bào)道了谷歌團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)包含53個(gè)可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，運(yùn)行隨機(jī)量子線路進(jìn)行采樣，耗時(shí)約200秒可進(jìn)行100萬次采樣，并且估計(jì)如果使用目前最強(qiáng)超算Summit來計(jì)算得到同樣的結(jié)果，需耗費(fèi)約 1 萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。什么是“量子優(yōu)越性”？
近年來，由于超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，量子計(jì)算逐漸發(fā)展到50個(gè)左右量子比特規(guī)模。盡管如此，考慮到量子糾錯(cuò)需要耗費(fèi)的資源，真正具備實(shí)用化的通用量子計(jì)算機(jī)至少需要10萬-100萬量級(jí)的量子物理比特。因此，量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)并且周期可能較長的工作。
為了推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的研制，我們必須把其分成一個(gè)個(gè)的小目標(biāo)，依據(jù)小目標(biāo)的指引，不斷突破。第一個(gè)小目標(biāo)就是“量子優(yōu)越性”（Quantum Supremacy），指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超過性能最好的超算，證明量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性。因此，“量子優(yōu)越性”被認(rèn)為是量子計(jì)算發(fā)展道路上的一個(gè)重要里程碑。剛才提到的“某個(gè)特定問題”，即經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，非常適合于量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮其計(jì)算潛力的問題。這類問題包括隨機(jī)量子線路采樣（Random Circuit Sampling）[1]、IQP線路（Instantaneous Quantum Polynomial）[2]、玻色采樣（Boson Sampling）[3]，而谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)所針對的問題是隨機(jī)量子線路采樣。所謂隨機(jī)量子線路，簡單說就是隨機(jī)從一個(gè)量子門的集合中挑選單比特量子門，作用到量子比特上，每作用一層單比特量子門，就會(huì)接著做一層兩比特量子門，多次重復(fù)這樣的操作后，測量最終的量子態(tài)，即完成一次采樣。谷歌為什么挑選這樣的問題？主要有兩個(gè)原因：第一，隨機(jī)線路采樣問題非常適合于在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)；第二，已經(jīng)有很多理論工作證明了隨機(jī)線路采樣問題的困難性。
圖1. 隨機(jī)量子線路采樣示意圖
至于為什么隨機(jī)量子線路經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬，這里就不再詳細(xì)敘述（感興趣的可以參考Adam Bouland等人，以及清華學(xué)霸陳立杰和MIT量子計(jì)算專家Scott Aaronson對該問題計(jì)算復(fù)雜度的研究[4,5]）。但是我們可以舉個(gè)例子來簡單說明一下，比如一個(gè)50比特的隨機(jī)量子線路采樣，最終輸出的量子態(tài)的態(tài)空間的維度是250，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，首先要存儲(chǔ)如此高維度的量子態(tài)是極其困難的，其次，在如此高維的計(jì)算空間上，模擬每一層的量子計(jì)算操作，直至輸出最終的計(jì)算結(jié)果，更是難上加難！這次谷歌的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是他們的第三代的線路結(jié)構(gòu)：Sycamore（懸鈴木），之前第一代，第二代（狐尾松），已經(jīng)被中科大團(tuán)隊(duì)利用量子隱形傳態(tài)的思想，在經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)—神威太湖之光上有效模擬了高達(dá)1000個(gè)量子比特42深度的鏈型線路，和72個(gè)量子比特32深度的狐尾松結(jié)構(gòu)二維線路[6]。受到這一模擬能力的挑戰(zhàn)，谷歌被迫設(shè)計(jì)了“懸鈴木”結(jié)構(gòu)的新線路。在谷歌正式發(fā)表于Nature的論文中，引用了中科大團(tuán)隊(duì)的這一結(jié)果。這里說個(gè)題外話，中科大的相關(guān)團(tuán)隊(duì)一直在演示“量子優(yōu)越性”的另一途徑——光子玻色采樣的實(shí)驗(yàn)上處于國際領(lǐng)先地位。巧合的是，昨天（10月23日）arXiv上公布了該團(tuán)隊(duì)的階段性新成果（arXiv: 1910.09930）[7]：20光子輸入60*60模式的玻色采樣。論文打破了光子數(shù)、模式數(shù)、量子態(tài)空間三項(xiàng)國際記錄，宣稱首次達(dá)到了百萬億級(jí)的輸出量子態(tài)空間，比之前國際光學(xué)同行的工作提高了百億倍。中國團(tuán)隊(duì)有望在光學(xué)玻色采樣問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。論文還在同行評(píng)審中。
圖2. 20光子玻色采樣示意圖
谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的突破
此次，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)制備了一塊包含54個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，并將其命名為Sycamore。不幸的是，其中一個(gè)量子比特壞掉了，所以可用的量子比特只有53個(gè)。不過因?yàn)閴牡舻牧孔颖忍卦谛酒倪吘?，基本上不?huì)影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
這塊超導(dǎo)量子芯片基本上匯聚了谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)這幾年所發(fā)展的所有最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其中最突出的兩項(xiàng)技術(shù)是倒裝焊封裝技術(shù)和可調(diào)量子耦合器。倒裝焊封裝技術(shù)是一種芯片互連技術(shù)，通過倒裝焊，可以實(shí)現(xiàn)二維排布量子芯片的制備?？烧{(diào)耦合器的作用是調(diào)節(jié)量子比特間的耦合強(qiáng)度，當(dāng)我們想讓比特間發(fā)生耦合實(shí)現(xiàn)多比特門時(shí)，可以將耦合強(qiáng)度調(diào)大，但是當(dāng)我們不想讓比特間發(fā)生耦合時(shí)，可以關(guān)掉耦合器。
圖3. Sycamore芯片的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖
可調(diào)耦合器的突破使得比特間的串?dāng)_錯(cuò)誤得到有效抑制。從谷歌的基準(zhǔn)測試來看，Sycamore芯片在進(jìn)行并行量子門操控時(shí)，還能保持99.84%精度的單比特門、99.38%精度的兩比特門以及96.2%精度的讀出，綜合性能代表了目前超導(dǎo)量子計(jì)算的最高水平。為了說明“量子優(yōu)越性”，谷歌與目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit進(jìn)行了性能比對。在Sycamore上進(jìn)行53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，200秒約可采樣100萬次，并且最終結(jié)果的保真度預(yù)計(jì)有0.2%；作為對比，谷歌預(yù)計(jì)超算Summit要得到保真度為0.1%的結(jié)果，需要耗費(fèi)1萬年?；诖?，谷歌宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。“量子優(yōu)越性”工作的爭議
實(shí)際上，“量子優(yōu)越性”代表了兩個(gè)方面的競爭，一方面量子芯片的比特?cái)?shù)和性能不斷擴(kuò)張，在某些問題上展現(xiàn)出極強(qiáng)的計(jì)算能力；另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實(shí)現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計(jì)算能力。所以，如果能夠提升經(jīng)典模擬的能力，那么谷歌的量子設(shè)備有可能就無法打敗最強(qiáng)超算，從而“稱霸”失敗。實(shí)際上這是極有可能的，因?yàn)楣雀枰矡o法保證他們在做經(jīng)典模擬時(shí)已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)，包括他們所使用的薛定諤-費(fèi)曼算法，以及對超算工程化實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化。
有趣的是，IBM是第一個(gè)跳出來表示“不服”的。IBM在10月21的arXiv上論文“Leveraging Secondary Storage to Simulation Deep 54-qubit Sycamore Circuits”中指出，谷歌對隨機(jī)量子線路的經(jīng)典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內(nèi)存和硬盤混合存儲(chǔ)方案，模擬53比特、20深度的量子隨機(jī)線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計(jì)，“一萬年太久，只爭朝夕”。其實(shí)，IBM說可以更快地在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬也不足為奇。畢竟經(jīng)典算法的發(fā)展，以及超算上的工程化實(shí)現(xiàn)，還是有提升空間的。“量子優(yōu)越性”本身也是經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算Battle的過程。說不定再過段時(shí)間，經(jīng)典模擬的速度可以直接超過谷歌的Sycamore量子計(jì)算系統(tǒng)。但是可以肯定的是，谷歌的工作確實(shí)體現(xiàn)了超導(dǎo)量子計(jì)算的快速發(fā)展，至少已經(jīng)到了在某些問題上可以跟目前最強(qiáng)超算比一比的能力了。這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的進(jìn)步，也許比“量子優(yōu)越性”來的更實(shí)在。從這個(gè)意義上，谷歌有沒有實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”這件事很重要，但也許也并不是那么重要。因?yàn)榱孔討B(tài)的空間維度是隨比特?cái)?shù)指數(shù)增加的，即便谷歌此次“量子優(yōu)越性”的宣稱失敗了，但隨著量子比特?cái)?shù)繼續(xù)擴(kuò)張，“量子優(yōu)越性”也會(huì)遲早到來。量子計(jì)算的下步路在何方？
縱觀量子計(jì)算的發(fā)展，我們可以明顯感受到量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步是顯著的。尤其是近幾年，這個(gè)方向進(jìn)入了一個(gè)技術(shù)爆發(fā)區(qū)。各個(gè)量子計(jì)算物理體系都得到了長足的發(fā)展，以超導(dǎo)為代表的量子計(jì)算體系已經(jīng)突破到50比特左右的規(guī)模，離子、原子體系也突破了20個(gè)比特的規(guī)模[8]，光子體系在2018年已實(shí)現(xiàn)了18比特糾纏[9]。
需要注意的是，谷歌此次宣稱的“量子優(yōu)越性”，目的僅僅是為了在實(shí)驗(yàn)上證明量子計(jì)算機(jī)確實(shí)有超越目前最強(qiáng)超算的能力，這并不意味著我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)?！傲孔觾?yōu)越性”對于量子計(jì)算的發(fā)展，僅僅是一個(gè)開始。首先，谷歌的工作來看，雖然他們在比特操控和讀取上都達(dá)到了極高精度，但是運(yùn)行20層量子線路后，保真度僅達(dá)到了0.2%，這樣的精度完全無法支撐大規(guī)模量子算法的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)；此外，谷歌用來演示量子優(yōu)越性的問題是沒有實(shí)用價(jià)值的，它的目的僅在于證明量子計(jì)算的計(jì)算能力。因此，實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算還需要很長的時(shí)間，我們需要在量子糾錯(cuò)得到突破，以支撐保持高品質(zhì)地?cái)U(kuò)展量子比特?cái)?shù)，并探索如何有效地發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢來解決真正有用的問題。那么下一步，量子計(jì)算的路在何方？2019年9月15日在合肥成功舉辦的新興量子技術(shù)國際會(huì)議形成了《量子信息和量子技術(shù)白皮書（合肥宣言）》，國際專家在宣言中對量子計(jì)算發(fā)展的三個(gè)階段達(dá)成了共識(shí)，“要構(gòu)建一臺(tái)真正具有通用計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，仍需要長期的努力?！?/section>為了領(lǐng)域的健康長期發(fā)展，除了要在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做好操縱精度、可容錯(cuò)之外，規(guī)?；?、實(shí)用性的量子計(jì)算研究可以沿如下路線開展。第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”或稱“量子稱霸”，即量子模擬機(jī)針對特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，這一階段性目標(biāo)可在近期實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)具有應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬系統(tǒng)，可在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮效用。第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。實(shí)現(xiàn)通用可編程量子計(jì)算機(jī)還需要全世界學(xué)術(shù)界的長期艱苦努力。”國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)展和布局
我國在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域起步較晚，相比于谷歌這個(gè)領(lǐng)頭羊，我們國內(nèi)的相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)仍處于追趕地位?？上驳氖?，近年來，以中科大、浙大、中科院物理所等為代表的多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)突破了20個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)[10-13]。目前，他們正在攻關(guān)50比特量子計(jì)算技術(shù)，并有望在明年底實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。因此，我國在超導(dǎo)領(lǐng)域雖與美國存在差距，但是不存在代差，如果能夠得到持續(xù)的投入和支持，未來可期。
黃合良，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱曉波超導(dǎo)量子計(jì)算課題組博士后，主要從事量子計(jì)算理論與實(shí)驗(yàn)研究。博士期間師從陸朝陽、鮑皖蘇教授，致力于光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究，先后在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于經(jīng)典指令的安全量子云計(jì)算、量子拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析，并參與實(shí)現(xiàn)了10光子糾纏、18比特糾纏，兩度刷新光量子計(jì)算糾纏記錄。
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