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来源：AI科技评论
作者：杨晓凡，Camel
量子计算的“一个可能的时刻”！
在九月下旬，「谷歌实现量子优越性（quantum supremacy）」的消息占据了各大媒体的头版头条。
（注：国内大多媒体将 quantum supremacy 翻译成「量子霸权」，无疑相比来讲后者更能博大众的眼球，谷歌官方认为“量子优越性”的翻译更为准确，下文将全部使用“量子优越性”）
据英国《金融时报》等媒体报道[1] 称，谷歌在一台 53 比特的量子计算机上仅用 3分 20 秒便完成了在超级计算机上需要一万年的计算，这是量子计算领域的一次巨大突破，一些圈内人士纷纷表示 「有一种即将亲历 2012 年 Hinton 发表 AlexNet 文章的感觉」、「或将迎来下一波科技浪潮」。图注：谷歌发表文章中，对量子优越性的证明。a）验证基准测试方法。根据测得的位串和经典模拟预测的相应概率，计算出补丁电路，消除电路和完整电路的验证值。尽管在复杂性方面存在巨大差异，但所有四个曲线之间的紧密对应关系证明了它们在优越性领域（ supremacy regime）中的使用是正确的。b）对于电路深度为20时，在量子处理器上获得一百万个样本需要200秒，而在一百万个内核上进行等保真度经典采样将花费10,000年，对保真度的验证将花费数百万年。
针对这些报道，一个多月来，谷歌并没有作出任何回应，且在新闻报道之前便从网上撤掉了相应的论文。10月21日，IBM发表博文 [2] 以及arXiv文章[3] 称谷歌的实验存在缺陷，作为对比的超算计算时间其实只需要2.5天。图注：IBM对谷歌的回应。分析预期的经典计算运行时间与“ Google Sycamore Circuits”的电路深度。蓝色线估计了一个53量子位处理器的经典运行时间（电路深度为20时，运行时间为2.5天），而橙色线则估计了一个54量子位处理器的经典运行时间。
作为一切吹捧和质疑的回应，谷歌终于在今天（10月23日）正式在Nature上发表了他们的这项工作《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》[4]。不仅如此，谷歌CEO 桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）还为此专门撰写一篇文章，谈论「量子计算里程碑的意义」[5]。皮查伊与谷歌量子计算机 @ Santa Barbara lab
皮查伊在文中称，“对于我们从事科学技术工作的人们来说，这项工作正是我们一直在等待的「hello，world」，是迄今为止使量子计算成为现实的最有意义的里程碑”。他表示，从今天的实验室试验到明天的实际应用可能还有很长的路要走，但这项工作的意义在于，它代表了量子计算世界的“一个可能的时刻”（a moment of possibility）。除了皮查伊的文章外，谷歌量子人工智能实验室首席科学家 John Martinis （量子硬件）与Sergio Boixo（量子理论）还联合发表了一篇关于「量子优越性」的技术博客[6]，简要介绍了他们的工作内容，包括实验、处理器硬件、测试、应用以及接下来的目标。那么「谷歌实现量子优越性」，是谷歌带给人类的又一次革命，还是仅仅一次媒体炒作？或许时间将给出证明。物理学家谈论“量子计算能做什么”这个问题已经超过 30 年了，但问题一直存在：研究它真的有用吗？值得为此研究进行投资吗？正像计算机的发明一样，量子计算的研究也是一个大规模的研究，因此去制定一系列具有决定性的短期目标，以此来证明设计是否朝着正确的方向发展，是一个良好的工程实践。谷歌所提出的这项“短期目标”就是他们所称之为的“量子优越性”（quantum supremacy）实验，并以此作为指导来制造可编程且功能强大的量子计算机。谷歌今天在《自然》杂志的“使用可编程超导处理器的量子优越性”（Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor）一文中发布了他们在“量子优越性”实验中的最新结果。他们开发了一种名为“ Sycamore”的新型 54比特处理器，该处理器由快速、高保真量子逻辑门组成，以执行基准测试。由此构建的机器能够在200秒内完成目标计算，而作为对比，要想产生类似的输出将需要世界上最快的超级计算机一万年的时间。图注：a）处理器的布局，显示一个54量子位的矩形阵列（灰色），每个矩形都用耦合器（蓝色）连接到最近的四个上。可以显示不可操作的量子位。b，Sycamore 处理器的实物照片。
为了帮助理解实验的内容，首先想象有一群刚刚入门的量子计算爱好者来到谷歌的量子计算实验室参观，然后想在谷歌的新量子处理器上运行一个量子算法试试效果。实验室给他们提供了一张表，上面有处理器可以执行的最基础的门操作，他们可以组合这些操作来编写算法。由于每个门都有一定概率出错，这些爱好者编写的算法就需要有一定的规模限制，整个操作序列中参与的门加起来不可以超过1000个。假设这群人此前并没有什么编程经验，那么他们设计的操作序列看起来就很有可能是在一列随机的门里走了一圈；可以把这个看作是量子计算机的“hello world”程序。由于这样形成的随机电路里没有什么结构可以供经典算法利用，想要用经典计算机模拟这样的量子电路的话就通常避免不了用超级计算机进行长时间计算。 量子计算机上的这些随机量子电路的每次运行都会产生一串二进制数字，比如 0000101. 由于量子相干性的存在，即便量子电路是随机的，只要重复这个实验足够多次，它们产生的二进制数字的出现的概率就会显出一定的模式，有一些结果会更经常出现。想要找到这种随机量子电路的输出模式，在量子计算机上只不过是普通的任务，但如果想要用经典计算机模拟这种计算的话，随着量子比特数量（宽度）的增加和门循环次数（深度）的增加，计算难度会以指数速度增加。在实验中，谷歌首先分别运行了12位量子比特到53位量子比特的随机简单电路，保持电路深度固定。他们测量了用经典计算机模拟时的计算性能，并和理论模型进行了对比。一旦确认了系统能正常工作，他们就会运行53位量子比特的随机困难电路并增加深度，一直到经典模拟已经变得不可行为止。图注：根据 薛定谔-费曼算法绘制的量子优越性电路实验结果示意图，图中自变量为量子比特数目和运行循环数量。图中的红色星是用经典计算验证对应的实验电路所需的时间。
这个实验结果也成为了经过拓展的邱奇-图灵论题（Church-Turing thesis）的首个反对证据。邱奇-图灵论题指出，经典计算机可以高效地实现任何合理的计算模型。而在这个实验中，谷歌已经首次证明了存在无法被经典计算机合理地模拟的量子运算，这也可以看做是谷歌已经打开了一个计算的新世界，等待我们进一步探索。谷歌的量子优越性实验是在Sycamore处理器上运行的，这是一个完全可编程的、具有54位量子比特的处理器。它具有二维的网格结构，其中每一个量子比特都和四个其它的量子比特相连接。受益于密集的连接，处理器芯片有很好的连接性，其中的量子比特的状态可以很快地在整个处理器上传递、互动；处理器的整体状态也就已经完全没办法用经典计算机做高效的仿真了。谷歌设计的量子优越性实验之所以能够成功，还是要归功于他们改进过的含有两位量子比特的门，它具有更高的并行能力，即便当许多个门同时运行时也能可靠地带来目前为止最高的性能。谷歌采用了一种新的控制节，它能够关闭相邻的量子比特之间的互动。这大大减少了这样的多连接量子比特系统中的错误的数量。谷歌还优化了芯片的设计降低串扰，以及开发了新的控制校准方法，可以避免量子比特的缺陷；这都进一步提升了芯片的性能。电路的结构是一个二维矩形网格，其中每一个量子比特都和四个其它的量子比特相连接。这个架构也带有前向兼容性，可以和量子纠错一共使用。54位量子比特从数量上已经相当惊人，但在谷歌看来，这也只不过是越来越强大的量子处理器之路上的第一步而已。 图注：
a）泡利误差（黑色、绿色、蓝色）和读出误差（橙色）的积分直方图（经验累积分布函数，ECDF），在隔离的量子位上（虚线）以及同时操作所有量子位时（实线）进行测量。每个分布的中值出现在垂直轴上的0.50处。平均值（平均值）如图所示。b）热图，显示了位于处理器布局中的单比特和二比特泡利误差e1（cross）和e2（bar）， 显示了同时运行的所有量子位的值。
为了确保量子计算机未来也能持续地发挥作用，谷歌需要现在就确认它采用的量子机理没有什么基础性的问题。通过实验来探索理论的边界是物理学研究中悠久的优良传统，因为特殊的物理参数往往会勾勒出新的物理学范式，从而在实验中体现为新的物理学现象。在之前的实验中，谷歌的量子计算团队已经发现，一直到大约1000维的状态空间，量子机理的实际运行情况都符合他们的期待。这次，他们把实验的规模扩大到了 10^16 维，然后发现所有机理仍然可以正常运转。他们也测量了基础的量子理论，他们测量了具有2位量子比特的门的错误率，发现它可以准确地预测完全达到了量子优越性的电路的测试结果。这说明，他们没有遇到什么会导致谷歌的量子计算机性能下降的意外的物理现象；也就是说，他们的实验提供了有力的证据，表明更复杂的量子计算机也可以遵循现有的理论运行。这也让谷歌的量子计算团队更有信心构建出更大规模的量子计算机。Sycamore量子计算机完全可编程，而且可以运行通用的量子算法 。自从去年做出了量子优越性的结果以来，谷歌量子计算团队就一直在努力做出近期应用方面的成果，包括量子物理模拟计算、量子化学方面，以及生成式机器学习和其它很多别的领域。 谷歌这支量子计算团队未来有两个主要的目标，两个目标也都是要为量子计算找到有价值的应用领域。首先，未来他们希望让其他的合作者、学术研究人员都有机会使用这样的计算能力足以展现量子优越性的量子处理器，他们也同样欢迎有兴趣为今天的 NISQ 处理器开发算法、寻找应用场景的企业参与进来。创新的最重要来源永远是有创意的研究人员们，在谷歌看来，如今他们已经有了新的计算资源，就希望能够有更多的研究人员也加入到这个领域中来，并把创造出一些有用的东西作为他们的目标。其次，谷歌也会在团队和技术方面做长期持续的投资，尽快建造出一个具备容错能力的量子计算机。这样的设备能给许多有价值的应用带来机会，比如，未来量子计算机有可能可以帮助我们设计新的材料，包括为电动汽车和飞机设计更轻的电池、可以更高效地生成化肥的催化剂（目前化肥生产的过程造成了全球碳排放的2%）、也可以找到更有效的药品。真正达到这些任务所需的计算能力肯定还需要很多年的扎实的工程和科学研究，但在谷歌看来，这条道路已经非常清晰，他们已经迫不及待地迈步前行。参考资料：
[1] 英国金融时报在9月20日对谷歌“量子优越性”的报道，https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17
[2] IBM 对谷歌“量子优越性”的回应博客 On “Quantum Supremacy”, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
[3] IBM对谷歌“量子优越性”论文的验证，发表在arXiv上, https://arxiv.org/pdf/1910.09534.pdf
[4] 量子优越性论文, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
[5] 谷歌CEO皮查伊撰写文章“量子计算里程碑的意义”，https://www.blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/
[6] 量子优越性技术博客, https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html
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