物理學(xué)家評(píng)谷歌“量子霸權(quán)”：離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)

北京時(shí)間10月25日消息，10月23日，谷歌公司的研究人員在英國(guó)《自然》（Nature）雜志上發(fā)表論文稱，他們已成功演示了“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。所謂量子霸權(quán)，其實(shí)指的是量子計(jì)算機(jī)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超越，其運(yùn)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)在合理時(shí)間范圍內(nèi)不能解決的問題。

關(guān)于量子霸權(quán)的討論聽起來似乎有點(diǎn)耳熟。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)這篇論文也有所貢獻(xiàn)。早在9月中旬，NASA就“無意”中將這項(xiàng)最新的量子計(jì)算研究發(fā)表在官網(wǎng)上，宣稱“量子霸權(quán)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，然后又迅速將其撤下。雖然發(fā)表的時(shí)間并不長(zhǎng)，但這篇論文已經(jīng)引起了網(wǎng)絡(luò)上一片震蕩。這并不奇怪，因?yàn)楣雀韫韭暦Q，他們的量子計(jì)算機(jī)可以在200秒內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬年才能完成的事情，這樣的成果實(shí)在是太令人驚奇了。

Sycamore量子處理器的布局（a）和外觀（b），芯片中有54個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特（灰色）通過耦合器（藍(lán)色）與最近的量子比特相連

超級(jí)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵區(qū)別在于它們存儲(chǔ)信息的方式。超級(jí)計(jì)算機(jī)和任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，是二進(jìn)制位的，處理的是1和0的問題；對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，則涉及到量子比特的問題，可以假設(shè)0和1的任何排列。不過，這并不意味著量子比特可以像薛定諤的貓一樣，同時(shí)是兩個(gè)相互矛盾的東西—;—;既是活的又是死的，或者既是0又是1。

正如理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）在他的博客中所說，量子比特是“此和彼的復(fù)雜線性組合”，或者說，是0和1的復(fù)雜線性組合?；蛟S最接近的類比應(yīng)該是“可能是這樣，也可能是那樣”。阿倫森指出，簡(jiǎn)單來說，你可以把量子計(jì)算機(jī)定義為一臺(tái)利用這種新型“可能性”的計(jì)算機(jī)。

為什么利用這種“可能性”就能賦予量子計(jì)算機(jī)所謂的“霸權(quán)”？德國(guó)法蘭克福高等研究院的理論物理學(xué)家薩賓·霍森費(fèi)爾德（Sabine Hossenfelder）解釋道：“為了讓你了解量子計(jì)算機(jī)的能力，你可以想象一下：通過量子力學(xué)方程的數(shù)值解，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

“如果你這么做，”她接著說，“那么經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)就會(huì)隨著模擬的量子比特的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。你可以在個(gè)人電腦上進(jìn)行2或4個(gè)量子比特的計(jì)算，但如果是50個(gè)量子比特，你就需要一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)集群。任何超過50個(gè)左右量子比特的計(jì)算目前都難以實(shí)現(xiàn)，至少在任何合理的時(shí)間內(nèi)都無法計(jì)算。”

谷歌的量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)名為“Sycamore”的紫色芯片。Sycamore的原意是梧桐樹，在論文中給出的芯片圖片上，可以看到一邊刻著“Google AI Quantum”，另一邊則刻著“Sycamore”和一棵梧桐樹的圖案。這個(gè)量子處理器被設(shè)計(jì)成使用54個(gè)超導(dǎo)transmon量子比特。由于其中一個(gè)量子比特不能正常工作，因此他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了53個(gè)量子比特，在一個(gè)“偽隨機(jī)量子電路輸出的采樣任務(wù)”中將其計(jì)算速度與“最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)”進(jìn)行了比較。研究人員表示，Sycamore的計(jì)算幾乎沒有結(jié)構(gòu)，這使它成為“基準(zhǔn)測(cè)試的合適選擇”。與之相比，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度就顯得相當(dāng)緩慢。他們總結(jié)說，Sycamore的成功“預(yù)示著一個(gè)備受期待的計(jì)算范式即將到來”。

2012年，加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家、量子信息與物質(zhì)研究所所長(zhǎng)約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出了“量子霸權(quán)”一詞，后來這成為一個(gè)劃時(shí)代的詞匯。普雷斯基爾的原意是用量子霸權(quán)來描述量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。他本月在《量子》（Quanta）雜志上寫道：“我想強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)在是我們這個(gè)星球歷史上的一段特殊時(shí)期，基于量子物理學(xué)原理的信息技術(shù)方興未艾。”他似乎在說，谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后面還應(yīng)該加上幾句注解。

“正如谷歌團(tuán)隊(duì)所承認(rèn)的那樣，他們的機(jī)器表現(xiàn)出驚人的計(jì)算速度，但所解決的問題經(jīng)過了精心挑選，目的只是為了展示量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，”普雷斯基爾補(bǔ)充道，“在其他方面，（量子計(jì)算）并沒有太大的實(shí)際意義?！被羯M(fèi)爾德也有同樣的看法。她說，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)似乎還只是“科學(xué)家的新玩具”，因?yàn)椤氨M管隨機(jī)變量的產(chǎn)生可以用來檢查量子霸權(quán)，但并不足以計(jì)算出任何有用的結(jié)果?！?/p>

盡管如此，普雷斯基爾仍表示谷歌取得了探索量子計(jì)算機(jī)實(shí)用性的重要一步。他認(rèn)為，為即將到來的“新時(shí)代”創(chuàng)造一個(gè)短語是很有必要的，這個(gè)短語就是NISQ（noisy intermediate-scale quantum），即“嘈雜中型量子”。其中的“嘈雜”（noisy）意思就是“不精確的”。對(duì)于量子比特，想要獲得無錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果仍然太難了—;—;量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，它積累的錯(cuò)誤就越多，計(jì)算結(jié)果就越不可靠?！爸行汀保↖ntermediate-scale）的意思則是，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)剛好可以做到谷歌所做的事情，即在某些任務(wù)中輕而易舉地?fù)魯〕?jí)計(jì)算機(jī)，展示量子計(jì)算的優(yōu)越性。但是，量子計(jì)算機(jī)太小了，最多只有幾百個(gè)量子比特，做不出任何有價(jià)值的事情。所以，如果想超越NISQ時(shí)代，還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

對(duì)于量子霸權(quán)，目前我們還沒有什么好激動(dòng)的?！鞍l(fā)明（NISQ）這個(gè)術(shù)語，實(shí)際上是想讓投資者相信量子計(jì)算將在未來幾十年產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用，”霍森費(fèi)爾德說，“NISQ的問題在于，雖然它們可能很快就能付諸實(shí)踐，但沒人知道如何利用它們計(jì)算出有用的結(jié)果?！币苍S永遠(yuǎn)不會(huì)有人知道?！拔椰F(xiàn)在很擔(dān)心量子計(jì)算會(huì)走上核聚變的老路，永遠(yuǎn)充滿希望，但又永遠(yuǎn)不會(huì)真正實(shí)現(xiàn)，”霍森費(fèi)爾德補(bǔ)充道。

可以理解的是，谷歌的研究人員及其NASA合作者對(duì)這種不確定性給出了更積極的解釋。他們指出，現(xiàn)在的量子計(jì)算還處于“過渡”階段，從單純的學(xué)術(shù)研究，到成為開啟新型計(jì)算能力的關(guān)鍵，還有很長(zhǎng)的路要走，“我們距離有價(jià)值的短期應(yīng)用只有一步之遙”。誰又能知道，這一天會(huì)什么時(shí)候到來呢？（任天）