「量子霸权」是什么？

量子计算机用 3 分 20 秒完成的一项计算，全球最强大的超算 Summit 要花 1 万年。

这个成果，来自 Google 最新的量子计算研究，发表在 NASA 官网上。论文宣布，「量子霸权」实现了。

英国政府的量子技术顾问 Steve Brierley 说：

这是第一次有人证明，量子计算机的性能真的能超过经典计算机。

是个了不起的成就。

另外，美国民主党的总统参选人杨安泽，推特转发了这则，引起强烈关注，一日便有 5100 人点赞：

大事啊，至少说明，没有什么破解不了的密码了。

虽然，NASA 没过多久便下架了这篇论文，但正因如此，人类反而对 Google 新的成果更加好奇了。

一窥论文

NASA 匆匆撤下了论文，我们仍然能从网页缓存中一窥论文的内容。

Google 在论文摘要中说：

我们使用具有 53 个超导量子位的可编程处理器，占用状态空间为 2⁵³≈10¹⁶。重复实验的测量结果会采样相应的概率分布。

 

我们使用经典模拟进行验证。虽然我们的处理器大约需要 200 秒来采样一百万个量子电路实例，但是一台先进的超级计算机将需要大约 1 万年的时间来执行等效的任务。

 

相对于所有已知经典算法而言，这种巨大的提速在实验中实现了计算任务上的量子霸权，并预示了人们期待已久的计算范式的出现。

在摘要中，Google 揭示了这台量子计算机强大的原因，由于量子力学中物体的状态是在希尔伯特空间中演化，因此只需 53 个量子位就可以模拟 10¹⁶ 种状态，而这个数字已经超出了当今超级计算机的运算能力（一般是等价于 50 个量子比特）。

主要指出的是 Google 虽然实现了 72 个量子位的芯片，但这和 72 位量子计算机是两回事。GoogleBristlecone 芯片是利用 9 个相同模式的量子比特进行耦合，然后依次扩展出去，并非实现了两两量子比特之间的耦合。

量子计算机的实际应用也面临诸多问题。由于在于 0 和 1 两种状态之间的能量差太小，需要降低到绝对零度附近，才能防止被热量所破坏。

此外，粒子之间状态的耦合也有时间限制，时间一长，两个粒子将不再「相干」。在进行量子计算实验时，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保证量子操作的保真度（Fidelity），否则运算结果将不再可信。

今年 3 月，Google 在一篇论文中给出了如下的量子计算机演化概念图：

这张图显示了量子计算错误率和量子比特数之间的关系。Google 量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线，他们希望通过建立纠错量子计算机，降低错误率，从而将这项技术推入右下角的绿色可用区域。

什么是量子霸权

量子霸权，也叫量子优势，即在未来的某个时刻，功能强大的量子计算机可以完成经典计算机几乎不可能完成的任务。

比如在一天之内破解原本几万年才能破解的密码、实现通用人工智能、快速模拟分子模型。

提出这一假想的原因是，量子计算机的发展似乎遵循着「内文定律」，而经典计算机遵循着「摩尔定律」。

摩尔定律为大众所熟知，即计算机芯片的晶体管密度每 18 个月翻一番，算力增强一倍，这是一种指数增长的规律。但是近年来随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限，这一定律已经放缓甚至失效。

而来自 Google 量子人工智能实验室的负责人 Hartmut Neven 认为，量子计算机的速度正在以双指数的速度增长。双指数是指数之上再加一层指数，形式如下：

Neven 认为，量子计算机比经典计算机存在着两个指数优势：

首先，量子位相比普通位具有效率优势，如果一个量子电路具有 4 个量子位，那么需要一个具有 16 个普通位的经典电路才能实现等效的计算能力。

其次，量子芯片也在快速改进。Google 量子芯片正在以指数级的速度发展，这种快速的改善是由于量子电路中错误率的降低。而降低错误率能帮助我们构建更大的量子芯片。

双指数的增长速度远远快于指数函数，因此 Google 认为虽然量子计算机速度现在远不及经典计算机，但是总有一天会超过后者。

这可不仅仅是 Google 研究人员的自卖自夸，实际上 Google 实验室也是按照双指数规律的速度在推进着：去年 12 月，一台笔记本电脑即可模拟 Google 最好的量子计算机；到了今年 1 月，一台功能强大的台式机才可与之媲美；而到了今年 2 月，经典计算机的速度已经不能和量子计算机匹敌，无法再模拟后者了。

为何由 NASA 发布

也许你会好奇，Google 的论文为何要在 NASA 官网上发布。其实 Google 去年就已经和 NASA 展开合作，并且立下了 flag：要在今年实现所谓量子霸权，即让量子计算机的运算能力远远超过经典计算机。

2018 年 7 月，Google 宣布与 NASA 建立合作伙伴关系，计划将量子计算机上运行的结果，与经典仿真进行比较，实现所谓的「量子霸权」，而且当时的 Google 预测在今年就可以实现。

双方合作使用的量子芯片名字叫做 Bristlecone，总共包含 72 个量子比特。由于 Bristlecone 需要将超导电路维持在绝对零度附近，因此无法将其从 Google 的实验室搬走。NASA 研究人员只能通过 Google 的云 API 远程连接 Bristlecone。

双方将共同研究如何将「各种各样的优化和采样问题」映射到 Bristlecone 量子计算系统上。

按照双方的约定，今年年初，他们在 NASA 最强的超级计算机 Pleiades 上对运行这些仿真所必需的软件进行编码，并在合同签订后的 12 个月，即今年 7 月，比较量子电路仿真和 Google 量子计算机硬件的结果。

虽然 Google 和 NASA 持非常乐观的态度，但业界也有人这个 flag 要倒。

阿里巴巴数据基础设施和搜索技术部门的研究人员发表了一篇论文，认为要实现量子霸权可能需要错误率更低的量子芯片。

南加州大学量子信息科学与技术中心主任 Daniel Lidar 也对此表示怀疑。他接受麻省理工科技评论时说：「（实现量子霸权）似乎还需要其他方式抑制错误。」

如果这篇论文通过了同行评审，则意味着 Google 和 NASA 的 flag 没有倒，而且量子计算将进入一个新的时代。

创造历史

几十年来，量子计算这个领域，都笼罩在一个强大的假设之下：

任何其他类型的计算机，能够高效完成的计算，经典计算机也都能高效完成。

这个假设，来自「广义邱奇-图灵论题」(Extended Church Turing Thesis) 。

如今，Google 的量子计算机用 3 分 20 秒完成的计算，交给全球排名第一的超级计算机 Summit，大概需要 1 万年。这就打破了人类曾经的猜想。

Google 说：

这标志了第一个只能用量子处理器执行的运算。

在通往全面量子计算的路上，这是一个里程碑。

量子机器的算力，将会以双指数速度增长。

当然，这项前所未有的成就，不止是 Google 自家的狂欢。

为英国政府担任量子技术顾问的 Steve Brierley，已经在领域里工作了 20 年，还是量子软件初创公司 Riverlane 的创始人。他强调说：

第一次有人证明，量子计算机的性能真的能超过经典计算机。

这是个了不起的成就。

走到领域之外，美国民主党的总统参选人杨安泽 (Andrew Yang) ，是这样说的：

Google 达成量子霸权是个大事。先不说别的，这至少意味着，没有不能破解的代码了。

他的这条推特，已经收获了 5100 赞。

不久之后，杨还补充了一条：

我们的加密技术也得跟上啊。

这条推特，又获得了 3200 赞。

下一步呢

量子霸权实现了，但故事并没有结束。

在许多人的眼里，量子霸权是一个人为设定的里程碑：只要在任何一项任务上，证明量子计算机超过经典计算机就可以了。

怎样的任务都可以，也就不一定有现实意义。比如，Google 给量子计算机的任务是：鉴定一个随机数生成器，是不是真的随机。

所以，一个里程碑之后，还有另一个里程碑要赶去。

实用性

IBM 的量子计算战略负责人 Robert Sutor，提到了一个「量子优势 (Quantum Advantage)」概念，那是一个实用性的里程碑：

量子优势，是在一个真实应用场景 (比如金融服务、AI、化学里面) ，量子计算机做出了比任何经典计算机要明显优秀的工作。

作为 Google 的对手，IBM 一直在探索量子计算的应用，与摩根大通、梅赛德斯奔驰都有这一方面的合作。最近他们还在线上对外开放了一台 53 比特的通用量子计算机。

IBM 说，量子霸权这个词他们并不用，也不在意。

不过，Google 研究院、加州理工学院的理论物理学家 Fernando Brandão 相信：

在达成量子霸权之前，量子计算机不可能做出什么有意思的事。

现在，就算量子计算机做的任务还没有实际意义，研究人员还是可以从中学到经验，今后开发出更有用的量子计算机。

2018 年，波士顿咨询公司 (BCG) 发布的报告说，量子计算机可以改变许多领域的游戏规则：

比如密码学和化学，对化学的影响会广泛波及材料学，以及农业和制药等等领域。

人工智能，机器学习就更不用说了。

另外，物流，制造，金融，能源……也都会出现新的应用。

这个未来，整个世界都在期待着。

容错率

再下一个里程碑，就是造出一台容错的量子计算机。

这样的计算机，能在一项计算当中实时纠正错误，原则上可以实现无错的量子计算。

目前，主流的方法叫做「Surface Code」，每个执行计算的「逻辑」量子比特，都要有成千上万个纠错量子比特来支持。

这远远超出了当前量子计算的最强算力。

所以，量子计算到底需不需要容错能力，也是值得讨论的问题。

来自 Google 的 Fernando Brandão 说：

有许多思路可走，但没有哪个方向是确定的。

One More Thing

不过，在走向未来之前，关于这项研究，还有一个直击灵魂的问题：

如果说，超算要 1 万年才能算好，怎么才能知道量子计算机得出的结果是对的呢？

论文缓存地址：

https://filebin.net/k5rr4l0p6ldde7hr/Quantum_Supremacy_Using_a_Programmable_Superconducting_Processor.html

参考链接：https://www.technologyreview.com/s/612381/google-has-enlisted-nasa-to-help-it-prove-quantum-supremacy-within-months/

https://www.ft.com/content/b9bb4e54-dbc1-11e9-8f9b-77216ebe1f17

https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/

https://gizmodo.com/google-says-its-achieved-quantum-supremacy-a-world-fir-1838299829

https://www.bcg.com/publications/2018/next-decade-quantum-computing-how-play.aspx