量子优越性的首次实验演示，你看懂了吗？| 内附三分钟讲解视频

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原文作者：Elizabeth Gibney

谷歌称，他们的量子计算机史无前例地完成了经典计算机无法实际执行的计算。 

谷歌的研究人员宣布已经实现了量子优越性（quantum supremacy），这是量子计算领域期待已久的里程碑。这则消息于10月23日发表在《自然》上。论文初稿曾于五周前意外泄露，但谷歌当时并没有发表评论。

芯片共有54个量子比特，每个量子比特都由超导环构成。| 来源 ：Erik Lucero

John Martinis是加州大学圣芭芭拉分校和谷歌总部的实验物理学家，他所率领的团队指出，他们的量子计算机率先完成了一项超越普通“经典”计算机能力范围的计算^[1]。谷歌估计，同样的计算在最先进的经典超级计算机上要一万年才能完成。

Martinis说，量子优越性一直被视作该领域的一个里程碑，因为它意味着量子计算机超越了经典计算机。虽然这些优势目前仅限于一些特定问题，但它向物理学家证明，量子力学在复杂问题上的应用和他们预期的一致。

澳大利亚新南威尔士大学的量子物理学家Michelle Simmons说：“看起来谷歌给了我们第一个实验证据，证明了量子加速在实际系统中是可以实现的。”。

Martinis把这个实验比作“Hello World”程序。研究人员在测试新系统时，往往会让系统显示“Hello World”字样。他说，这个演示本身用处不大，但它让谷歌知道，这些量子软硬件可以正常工作。

这一突破性成果早在9月就被《金融时报》等媒体报道过。当时，论文初稿遭到外泄，被发在了与谷歌在量子计算方面有合作的美国国家航空航天局（NASA）的网站上，但之后很快被撤下。谷歌当时并没有认领这篇论文，也没有对此做出评论。

谷歌所选择的计算是检查量子随机数生成器的输出，这种计算的实际应用很有限，“但科学意义非凡，前提是它经得起验证，但我猜是没问题的。”得克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家Scott Aaronson对此表示。

谷歌之外的研究人员已经在着手改进这一问题的经典算法了，希望能把谷歌“一万年”的估算时间下调。IBM是谷歌在建造量子计算机方面的竞争对手，IBM在10月21日发布的预印本文章中表示，只要使用另一种经典算法，这个问题就能在两天半的时间里解决^[2]。IBM的这篇论文尚未经过同行评议。如果其所言属实，就会在很大程度上稀释谷歌所演示的量子“优势”——虽然比经典计算机快得多，但经典计算机并不是完全做不到。Simmons表示，虽然如此，但这仍然是一个重要的里程碑。“就我所知，这是对量子优越性的首次演示，毫无疑问是一个重磅结果。”

快速算法

量子计算机的工作原理和经典计算机有着根本差异：一个经典比特只能取1或者0。但一个量子比特可以同时存在于多种状态。当多个量子比特被纠缠成不可分的状态时，理论上，物理学家就能利用量子态（类似波）之间的干涉，执行正常情况下可能要数百万年才能完成的任务。

物理学家认为，量子计算机将来或能用于执行颠覆性算法，比如说搜索巨大的数据库或是对特别大的数做质因数分解，包括加密算法里用到的大数。但是这些应用还要等上几十年。纠缠的量子比特越多，在计算机运行时维持其脆弱状态的难度也越大。谷歌让这个算法在一个54量子比特的量子芯片上运行，每个量子比特都由超导环构成。只是，和通用量子计算机所需的百万量子比特相比，这个数字还差得很远。

马里兰大学的物理学家Christopher  Monroe说，谷歌给它的量子计算机布置的任务“有点怪”。谷歌的物理学家最早在2016年设计出了这个任务，当时的任务以“普通计算机力所不及”为设计目标。他们要求这台Sycamore计算机描述一台量子随机数生成器输出不同结果的概率。为此，他们运行了一个电路，让53个量子比特进行一系列随机运算。这会生成一个由53个1和0组成的数字串，总共有2^53种可能性（由于Sycamore的54个量子比特中有一个坏了，实际只用了53个量子比特）。整个过程非常复杂，根本不可能从第一性原理直接计算得出，因此过程实质上是随机的。但是，由于量子比特之间的干涉，有些数字串较其他数字串更可能出现。这有点像在掷一个灌铅骰子——掷出来的数字是随机的没错，但掷到有些数字的可能性更大。

Sycamore通过对电路进行采样来计算这种概率的分布：让电路运行100万次然后统计输出的数字串。这种方法类似于通过不停掷骰子来计算它的偏差。某种意义上，Monroe说，这台计算机做的事和科学家每天做的事是一样的：用实验为经典计算无法回答的量子问题寻找答案。他说，关键差别在于，谷歌的计算机并不只针对单一用途，它是可编程的，能用于任何设置的量子电路。

谷歌的量子计算机非常擅于检查量子随机数生成器的输出。| 来源：Erik Lucero

验证这个解决方法则是另一项更为艰巨的挑战。为此，团队用一些经典计算机对小型简易版的电路进行了模拟，并对比量子计算机的结果。这些经典计算机包括美国橡树岭国家实验室的超级计算机Summit。谷歌团队随后对这些小型模拟进行了外推，并估算出即使是一台拥有100万个处理单元的计算机（约等于10万台台式机），模拟整个电路也要1万年的时间——而Sycamore只用了3分20秒。

谷歌相信自己证明的量子优越性毫无破绽。即使日后有外部研究者能削减经典模拟所需的时间，但别忘了，量子硬件也在不断升级。也就是说，在这个问题上，传统计算机可能永远也赶不上量子计算机，谷歌量子计算团队负责人Hartmut Neven对此表示。

应用有限

Monroe表示，谷歌的成果对于量子计算的意义，可能在于它能吸引更多计算机科学家和工程师的加入。他还警告说，这则新闻可能会让大众误以为量子计算机离主流实际应用已然不远，但其实并没有。他说：“大家都在说，‘哇，量子计算机终于打败传统计算机了，两年后，咱家也买一台’。”

但事实是，Monroe说，科学家还无法用可编程的量子计算机解决任何真正有用，同时无法用其他方法解决的问题。比如需要计算分子的电子结构——这个问题非常难，需要为多个量子相互作用建模。Aaronson认为另一个重要方向是，在使用纠错程序的算法中证明量子优越性——纠错可以改正能让整个计算无效的由噪音引起的误差。物理学家认为，这将是实现量子计算机规模化的关键。

Martinis说，谷歌正在向这两个里程碑努力，并会在接下来的几个月里发布实验结果。

Aaronson认为谷歌用来演示量子优越性的实验也不是没有实际应用：他设计了一个协议，可以用该计算为用户证明某个量子随机数生成器所产生的比特确实是随机的。这在密码学和一些加密货币上或许能派上用场，因为它们的安全性依赖随机密钥。

为了运行这个算法，谷歌的工程师对硬件进行了大量改进。Martinis表示，他们制造了新的电子器件去控制量子电路，还设计出了连接量子比特的新方法。“这其实是我们未来提升规模的基础。我们相信这一基础架构是前进的方向。

参考文献：

1.Arute, F. et al. Nature 574, 505–510 (2019).

2.Pednault, E. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1910.09534 (2019).

原文以Hello quantum world! Google publishes landmark quantum supremacy claim为标题发表在2019年10月23日的《自然》新闻上

© nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-03213-z

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