近日，谷歌正式在《Nature》上發(fā)表了他們關(guān)于驗證“量子優(yōu)越性”(即在特定任務(wù)上量子計算機遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)計算機)的論文，并被Nature放在期刊封面。谷歌CEO桑達爾·皮查伊(Sundar Pichai)為此撰文表示，這項工作是人類首次在實驗上驗證了“量子優(yōu)越性”，它在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著量子計算的時代將會到來。
在這篇論文中，谷歌聲稱他們用54個量子比特的數(shù)組達到了量子優(yōu)越性，在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作，而相同的運算在當今世界最大的超算summit上則需要10000年才能完成。
皮查伊將這項研究比作萊特兄弟的首飛，雖然當時的飛行器非常簡陋，飛行時間只持續(xù)了12秒，完全沒有實用價值，但這卻是人類邁向天空的第一步，隨之而來的是人類征服了整個天空。
一、原理
量子計算最早是由物理學家費曼80年代早期在一次演講中提出的，不同于傳統(tǒng)的計算機，量子計算機用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數(shù)據(jù)操作。
抽象來講，傳統(tǒng)計算機就是一個“對輸入信號序列按照一定算法進行變換的機器，其算法由計算機內(nèi)部邏輯電路實現(xiàn)”[1]。例如輸入信號序列為“0”，對其進行“非”操作，NOT(0) = 1。這種邏輯方式對我們來講是非常容易理解的，正像牛頓力學來源于經(jīng)驗一樣，傳統(tǒng)計算機的邏輯方式與我們?nèi)粘＝?jīng)驗的“要么是(1)，要么非(0)，非的反面為是(NOT(0) = 1)”吻合。
然而我們的日常生活也并非完全的“是”“非”分明，往往則是“是”中有“非”，“非”中有“是”，“是”或“非”只是事態(tài)的兩個極端。在量子力學中，正是這種思維。
量子力學中常用“態(tài)”(這是一個希爾伯特空間的向量)來描述一個系統(tǒng)。例如傳統(tǒng)計算機的輸入序列01，用量子力學的語言描述即|01>。傳統(tǒng)計算機中態(tài)與態(tài)(向量與向量)之間只能是正交的，例如|01>與|00>不可能同時出現(xiàn)，這本質(zhì)上就是或“是”或“非”的觀點。顯然對于這些正交態(tài)的操作也必須是正交的變換。
然而在量子計算機中，擴展了傳統(tǒng)計算機原有的限制。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述(這樣才能有確定的離散態(tài))，如二能級系統(tǒng)(qubits)。對于具有兩比特的量子計算機來講，其輸入態(tài)的表示為
也即這四種狀態(tài)可以是同時存在的(取決于前面的系數(shù)，你可以簡單理解為四個相互正交的向量之間的疊加)。由于表示上沒有限制，在量子計算機中的變換(即量子計算)則包括了所有可能的正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的統(tǒng)計測量，從而便可以得到計算結(jié)果。
從以上對比可以看出，傳統(tǒng)計算機中的狀態(tài)只是量子計算機中多個疊加分量中的一個，傳統(tǒng)計算機上一次只能對其中一個分量進行一次操作(A)，例如A |00> = |01>。然而量子計算機上的每一次操作同時作用在所有的疊加分量上，
所有這些傳統(tǒng)計算可以同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結(jié)果。這便是量子并行計算。
可以做個類別，傳統(tǒng)計算機在半導(dǎo)體器件就像是一個單一的樂器，一個拍子一個聲音;而量子計算機則是一個交響樂團，一個拍子可以同時發(fā)出許多高低不同、音色不同的聲音。[1]
按照這種邏輯，如果是一個10位元的量子計算機，它的一次操作便等同于傳統(tǒng)計算機1024(2^10)次操作。當位元數(shù)增大時，這種比例還要以指數(shù)級增長，例如一個40位元的量子計算機，就能在很短時間內(nèi)解開1024位元計算機花上數(shù)十年解決的問題。
為開拓出量子計算機巨大的并行處理能力，必須尋找適用于這種量子計算的有效算法，畢竟算法是計算的靈魂。
1994年，Shor開發(fā)除了第一個量子算法，可以用多項式的復(fù)雜度進行大數(shù)因子分解，可以在秒的時間量級上實現(xiàn)1000位數(shù)的因子分解，而同樣的問題在傳統(tǒng)計算機上可能需要10^25年才能完成。
1997年Grover發(fā)現(xiàn)了一個真正有實用價值的量子算法，即所謂的量子搜索算法，可以平方根地加速無序數(shù)據(jù)庫的搜索，從100萬個無序電話號碼中平均只需要操作1000次便可以獲得正確答案，而經(jīng)典的方法則平均需要50萬次。
這些算法顯示出量子計算機具有超越經(jīng)典計算機的強大功能，立即引起了學術(shù)界和西方國家的國防安全部門的重視，這也極大地推動了量子計算機研究的發(fā)展，從此量子計算機的研究也成為了國際上持續(xù)的前沿研究領(lǐng)域。
二、技術(shù)路線
對于稍微了解量子力學的人來講，量子計算機的原理都是非常簡單的。但是如何去設(shè)計并制造出這樣一臺能夠?qū)嵱玫牧孔佑嬎銠C呢?這給相關(guān)的研究人員提出了巨大的實驗上和理論上的挑戰(zhàn)。
對于如何在硬件上實現(xiàn)量子計算機，經(jīng)過幾十年的探索，目前來看有以下幾種方法[2]：
所謂“囚禁離子”，即用精心調(diào)制的激光脈沖制造一個勢能阱來困住離子，使它們進入疊加態(tài)。這也是最早使用的量子邏輯門背后的技術(shù)。這種技術(shù)有完美的再現(xiàn)性(reproductivity)，長生命周期，不錯的激光可控性，但實現(xiàn)起來卻并不容易，在17年的時候，研發(fā)這一技術(shù)的ionQ也僅能把五個量子比特加入到可編程設(shè)備中。
隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，2010 年開始，囚禁離子技術(shù)遭遇了強大的挑戰(zhàn)者： 超導(dǎo)體制成的電流回路。這方面的技術(shù)代表是谷歌和IBM(所以可以想見為什么當谷歌發(fā)表“量子優(yōu)越性”的研究時IBM第一個站出來質(zhì)疑，不是冤家不聚頭)。所謂超導(dǎo)體是由接近絕對零度時、電阻為0的物質(zhì)。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點：1、電流回路可以被肉眼觀察到 ;2、使用簡單的微波儀器就能控制，不需要對操作要求苛刻的激光;3、使用傳統(tǒng)計算機芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn);4、運轉(zhuǎn)速度非?？臁５?，超導(dǎo)技術(shù)有一個致命缺陷：環(huán)境噪音。即使是控制設(shè)備的噪音，也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化，已使電路的穩(wěn)定性提高了近百萬倍，所以量子疊加狀態(tài)可以維持數(shù)十微秒，但這仍遠遠不如離子。
其他另辟蹊徑的包括D-Wave的量子退火方法。2007 年，加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個超導(dǎo)量子比特成功制成量子計算機。這個宣布最初震驚了世界，不過人們發(fā)現(xiàn)D-Wave 的機器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個量子比特接著一個量子比特地編程，而是使用了“量子退火”的技術(shù)，每個量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒有建立起一組并行計算，而是一個整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學問題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對于優(yōu)化問題(比如提高交通效率的)來說，這是一項很有潛力的技術(shù)。但批評者們指出：D-Wave 并沒有攻克許多公認的量子計算難題，比如錯誤修正。包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購買并測試了 D-Wave 的設(shè)備，他們初步的共識是，D-Wave 做到了一些能稱之為量子計算的東西，而且在處理一些特定任務(wù)時，他們的設(shè)備確實比傳統(tǒng)計算機要快。
其次是英特爾為代表的硅量子點技術(shù)，這也經(jīng)常被稱為“人造原子”。一個量子點的量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用來作為疊加態(tài)。不同于離子或原子，量子點不需要用激光來困住它。早期的電子點用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，因為可以借助半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。但目前來看，基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。
另一個具有代表性的則是微軟選擇的基于非阿貝爾任意子(nonabelian anyons)的拓撲量子比特( topological qubits)。這些已經(jīng)不再是具體的物體，而是沿著物質(zhì)邊緣游動的準粒子(quasiparticles)，它們的量子態(tài)由不同的交叉路線(braiding paths)來實現(xiàn)。因為交叉路線的形狀導(dǎo)致了量子疊加，它們會受到拓撲保護(topologically protected)而不至于崩潰，這類似于打結(jié)的鞋帶不會散開。這也意味著，理論上拓撲量子計算機不需要在錯誤修正上花費那么多量子比特。不過這種技術(shù)最終是否能夠在實驗上做出來，仍然待定。
鉆石空位的方法本質(zhì)上即利用鉆石中的瑕疵作為量子比特。具體來講，鉆石的碳原子形成了正四面體的結(jié)構(gòu)，而研究者將其中的一個碳原子替換為氮原子，形成一個氮晶格空位中心，游離的氮原子核和多出的一個電子共同構(gòu)成了兩個量子比特。(更準確地說，是用它們的“自旋”來作為量子比特)這種方法不需要低溫、激光等極端技術(shù)要求，室溫下即可實現(xiàn)，但缺點在于并不是那么容易實現(xiàn)量子態(tài)的糾纏。
這里需要指出的是，盡管當前各家企業(yè)在媒體中都有炒作其在該領(lǐng)域的先進性，但事實上沒有人對量子計算有足夠的了解，未來的量子計算機最終會采用哪種技術(shù)并沒有定論。甚至有人認為“未來的量子計算機很可能是一個混合體，由超快的超導(dǎo)體量子比特對算法進行運算，然后把結(jié)果扔給更穩(wěn)定的離子存儲;與此同時，光子在機器的不同部件之間或量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間傳遞信息。”
三、量子優(yōu)越性
量子計算機的研制是一個極具挑戰(zhàn)且周期可能較長的工作，盡管近年來量子計算的規(guī)模逐漸發(fā)展到50個左右，但真正具備實用化的通用量子計算機可能只是需要10萬-100萬量級的量子比特。因此為了推動量子計算機的研制，就必須把整個過程劃分為一個個的小目標，根據(jù)這些小目標來不斷向最終的成功靠近。
今年9月份在合肥舉辦的新興量子技術(shù)國際大會的白皮書上提到了當前量子計算的研究路線：“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、可容錯之外，規(guī)模化、實用性的量子計算研究可以沿如下路線開展。第一個階段是實現(xiàn)‘量子優(yōu)越性’，即量子模擬機針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，這一階段性目標可在近期實現(xiàn)。第二個階段是實現(xiàn)具有應(yīng)用價值的專用量子模擬系統(tǒng)，可在組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面發(fā)揮效用。第三個階段是實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，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。實現(xiàn)通用可編程量子計算機還需要全世界學術(shù)界的長期艱苦努力。” [4]
谷歌量子 AI 團隊所針對的問題正是隨機量子線路采樣。據(jù)中科大黃合良博士介紹，所謂隨機量子線路，即“隨機從一個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。”[4] 已經(jīng)有很多理論證明了隨機量子線路采樣的困難性，但這種問題卻比較適合在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子計算芯片上實現(xiàn)，這也是谷歌選擇這個問題的原因。
我們來看“量子優(yōu)越性”的定義：量子模擬機針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機。這里的“特定問題”，即經(jīng)過精心設(shè)計，非常適合于量子計算設(shè)備發(fā)揮其計算潛力的問題。例如隨機量子線路采樣、IQP 線路、玻色采樣等[4]。
另外還有IQP線路、玻色采樣的問題。值得一提的是，中科大的相關(guān)團隊一直在嘗試解決光子玻色采樣的問題，并處于國際領(lǐng)先地位。且巧合的是在谷歌發(fā)布研究的同一天，中科大在在arXiv上公布了他們的最新成果(arXiv: 1910.09930)：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)空間三項國際記錄，宣稱首次達到了百萬億級的輸出量子態(tài)空間，比之前國際光學同行的工作提高了百億倍。中國團隊有望在光學玻色采樣問題上實現(xiàn)量子優(yōu)越性。”[4]
回到谷歌最新聲稱的實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的事情上。為了證明“量子優(yōu)越性”，谷歌選擇了目前世界排名第一的超算“Summit”進行對比。論文中提到他們在自己的量子芯片Sycamore上進行53比特(本來是6×9=54個量子比特，但不幸壞了一個，但因為壞掉的那個在邊緣，因此基本上不影響最終實驗結(jié)果)、20深度的量子隨機線路采樣，如前面提到的，用時200秒可以采樣100萬次，且結(jié)果的保真度約0.2%;相同的操作在Summit上，谷歌預(yù)計要耗時1萬年(保真度0.1%)。谷歌也正是基于這種對比而宣稱的“量子優(yōu)越性”。
事實上，從今年6月份便一直有媒體傳言谷歌實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。但直到9月20日，英國《金融時報》首次有實錘地報道了谷歌“200秒與10000年”的量子優(yōu)越性的研究，當時引起了圈內(nèi)人士特別的重視。但谷歌迅速刪除了發(fā)布在NASA網(wǎng)站上的文章。
但10月21日，在量子計算領(lǐng)域與谷歌有競爭關(guān)系的IBM同時發(fā)布論文和博客指稱，谷歌所謂要花1萬年的計算，傳統(tǒng)計算機事實上在2.5天內(nèi)就能完成，也即可能稍微再優(yōu)化一下算法或硬件的配置，谷歌所謂的“優(yōu)越性”可能就不再是“優(yōu)越”了。
黃合良博士解釋說：“量子優(yōu)越性” 代表了兩個方面的競爭，一方面量子芯片的比特數(shù)和性能不斷擴張，在某些問題上展現(xiàn)出極強的計算能力;另一方面，經(jīng)典算法和模擬的工程化實現(xiàn)也可以不斷優(yōu)化，提升經(jīng)典算法的效率和計算能力。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超算，從而“稱霸”失敗。實際上這是極有可能的，因為谷歌也無法保證他們在做經(jīng)典模擬時已經(jīng)達到了最優(yōu)，包括他們所使用的薛定諤-費曼算法，以及對超算工程化實現(xiàn)的優(yōu)化。[4]
在隨后谷歌進行的一場媒體溝通會上，面對記者的提問，谷歌AI量子的研究人員表示：“我們已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)計算機的束縛，走向了新的道路。我們歡迎提高仿真技術(shù)的建議，盡管對我們來說，在實際的超級計算機上對其進行測試至關(guān)重要。”[5]
四、未來之路
無論谷歌這次的工作是否真的驗證了“量子優(yōu)越性”，2019年或2020年都將成為量子計算的轉(zhuǎn)折點。近幾年，以上提到的各種量子計算機的體系都有很大的進展，例如以谷歌為代表的超導(dǎo)回路的技術(shù)體系已經(jīng)突破了50比特的規(guī)模，而離子、原子體系也已經(jīng)突破了20比特，光子體系突破了18比特糾纏。[4]
圖片來源[6]
因此可以預(yù)期的是，在接下來的時間里將會有一大批的企業(yè)、高校實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，然后集體奔向下一個目標，即實現(xiàn)具有應(yīng)用價值的專用量子模擬系統(tǒng)。
就谷歌來講，他們接下來的將是：1)擴大量子系統(tǒng)的規(guī)模，從50的量級進一步地提升以達到能夠使用的規(guī)模，例如10^3;2)提高操作的精度，將錯誤率降下來，目前他們的錯誤率還在1%的水平，他們的下一步目標則是將錯誤率降到1/1000。
伴隨著這樣的提升(從前面的一張圖上可以看出)，量子計算將在部分的任務(wù)上進入實用性階段，例如對于生物分子的量子模擬、構(gòu)建量子機器學習、對物理中的能帶隧穿進行量子優(yōu)化等。
再下一步才會是真正的通用量子計算機，這要求量子比特數(shù)達到10^6，錯誤率則要更低。從此至彼，會是多久呢?也許只是十年。
量子計算領(lǐng)域內(nèi)的突破值得人類為之興奮，谷歌量子優(yōu)越性論文的發(fā)布也標志著人類走進了這一科研領(lǐng)域的新階段，創(chuàng)新精神是推動科技發(fā)展的內(nèi)核，而階段性的成無疑是鼓舞我們繼續(xù)前行最好的加速器。
如果這真的是一場革命而非宣傳性的嘩眾取寵，如果量子計算的時代將會到來，你最新做什么?
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