谷歌聲稱他們的量子計(jì)算機(jī)可以在200 秒內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需要10,000 年才能完成的任務(wù)

北京時(shí)間10月25日消息，10月23日，谷歌研究人員在英國(guó)《自然》雜志《自然》（自然）雜志上發(fā)表論文稱，他們已經(jīng)成功證明了量子霸權(quán)。所謂量子霸權(quán)，實(shí)際上是指量子計(jì)算機(jī)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超越。其計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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)無(wú)法解決的問(wèn)題。

關(guān)于量子霸權(quán)的討論聽(tīng)起來(lái)可能很熟悉。美國(guó)宇航局也對(duì)該論文做出了貢獻(xiàn)。早在9月中旬，NASA就無(wú)意中在其官網(wǎng)發(fā)布了這項(xiàng)最新的量子計(jì)算研究成果，聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，隨后又迅速撤下。雖然發(fā)表時(shí)間不長(zhǎng)，但這篇論文已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上引起了轟動(dòng)。這并不奇怪，因?yàn)楣雀杪暦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10,000 年才能完成的任務(wù)。這樣的結(jié)果實(shí)在是太驚人了。

Sycamore量子處理器的布局(a)和外觀(b)。芯片中有54 個(gè)量子位。每個(gè)量子位（灰色）通過(guò)耦合器（藍(lán)色）連接到最近的量子位。

超級(jí)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的主要區(qū)別在于它們存儲(chǔ)信息的方式。超級(jí)計(jì)算機(jī)與任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，都是二進(jìn)制位，處理1 和0 的問(wèn)題；對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，涉及到量子比特的問(wèn)題，可以假設(shè)0和1的任意排列。然而，這并不意味著一個(gè)量子位可以同時(shí)是兩個(gè)矛盾的事物，就像薛定諤的貓一樣，——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Scott Aaronson 在他的博客上所說(shuō)，量子位是這個(gè)和那個(gè)的復(fù)雜線性組合，或者換句話說(shuō)，是0 和1 的復(fù)雜線性組合。也許最接近的類(lèi)比是，它可以是這個(gè)，也可以是那個(gè)。阿倫森指出，簡(jiǎn)單地說(shuō)，你可以將量子計(jì)算機(jī)定義為利用這種新可能性的計(jì)算機(jī)。

為什么利用這種可能性會(huì)給量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)所謂的霸權(quán)？為了讓您了解量子計(jì)算機(jī)的能力，您可以想象：通過(guò)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)。

她繼續(xù)說(shuō)道，如果你這樣做，那么經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)會(huì)隨著模擬量子位的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。你可以在一臺(tái)PC上進(jìn)行2或4個(gè)量子位的計(jì)算，但如果是50個(gè)量子位，則需要一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)集群。任何超過(guò)50 個(gè)左右量子位的計(jì)算目前都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，至少在任何合理的時(shí)間內(nèi)是不可能的。

谷歌的量子計(jì)算機(jī)是一種名為Sycamore 的紫色芯片。 Sycamore的本義是梧桐樹(shù)。在論文給出的芯片圖片中，可以看到一側(cè)刻有Google AI Quantum，另一側(cè)刻有梧桐和梧桐樹(shù)。該量子處理器設(shè)計(jì)為使用54 個(gè)超導(dǎo)傳輸量子位。由于其中一個(gè)量子位無(wú)法正常工作，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了53 個(gè)量子位，在對(duì)偽隨機(jī)量子電路的輸出進(jìn)行采樣的任務(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)行比較。研究人員表示，Sycamore 的計(jì)算結(jié)構(gòu)很少，因此成為基準(zhǔn)測(cè)試的合適選擇。相比之下，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度非常慢。他們得出的結(jié)論是，Sycamore 的成功預(yù)示著備受期待的計(jì)算范式的到來(lái)。

2012年，加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家、量子信息與物質(zhì)研究所所長(zhǎng)約翰·普雷斯基爾提出了“量子霸權(quán)”一詞，后來(lái)成為一個(gè)劃時(shí)代的術(shù)語(yǔ)。普雷斯基爾的初衷是用量子霸權(quán)來(lái)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(xiě)道：我想強(qiáng)調(diào)，這是我們星球歷史上的一個(gè)特殊時(shí)期，基于量子物理原理的信息技術(shù)方興未艾。他似乎是在說(shuō)，谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該有一些評(píng)論。

雖然谷歌團(tuán)隊(duì)承認(rèn)他們的機(jī)器表現(xiàn)出了令人印象深刻的計(jì)算速度，但他們解決的問(wèn)題都是經(jīng)過(guò)精心挑選的，只是為了證明量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，普雷斯基爾補(bǔ)充說(shuō)，除其他外，（量子計(jì)算）并沒(méi)有太大的實(shí)際意義。霍森菲爾德也有同樣的感覺(jué)。她表示，目前的量子計(jì)算機(jī)似乎只是科學(xué)家的一個(gè)新玩具，因?yàn)殡m然隨機(jī)變量的生成可以用來(lái)檢驗(yàn)量子霸權(quán)，但還不足以計(jì)算出任何有用的結(jié)果。

盡管如此，普雷斯基爾表示，谷歌在探索量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用性方面邁出了重要的一步。他認(rèn)為，有必要為即將到來(lái)的新時(shí)代創(chuàng)造一個(gè)詞。這句話是NISQ（noisy middle-scaleQuantum），意思是嘈雜的中尺度量子。嘈雜這個(gè)詞意味著不精確。對(duì)于量子位來(lái)說(shuō)，獲得無(wú)錯(cuò)誤的計(jì)算仍然太難。 —— 量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，積累的錯(cuò)誤就越多，計(jì)算的可靠性就越低。中等規(guī)模意味著目前的量子計(jì)算機(jī)剛好可以做到谷歌所做的事情，即在某些任務(wù)上輕松擊敗超級(jí)計(jì)算機(jī)，展現(xiàn)出量子計(jì)算的優(yōu)越性。然而，量子計(jì)算機(jī)太小，最多只有幾百個(gè)量子比特，無(wú)法做任何有價(jià)值的事情。因此，想要超越NISQ時(shí)代，還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

目前，量子霸權(quán)沒(méi)有什么值得興奮的。 Hossenfeld 表示，NISQ 這個(gè)術(shù)語(yǔ)實(shí)際上是為了讓投資者相信量子計(jì)算將在未來(lái)幾十年內(nèi)得到實(shí)際應(yīng)用。 NISQ 的問(wèn)題在于，雖然它們可能很快就會(huì)實(shí)用，但沒(méi)有人知道如何使用它們來(lái)計(jì)算有用的結(jié)果。也許永遠(yuǎn)沒(méi)有人知道?；羯茽柕卵a(bǔ)充道：“我現(xiàn)在擔(dān)心量子計(jì)算會(huì)重蹈核聚變的覆轍，總是充滿希望，但從未真正發(fā)生。”

可以理解的是，谷歌研究人員和他們的NASA 合作者對(duì)這種不確定性提供了更積極的解釋。他們指出，量子計(jì)算仍處于過(guò)渡階段。從純粹的學(xué)術(shù)研究到成為解鎖新計(jì)算能力的鑰匙還有很長(zhǎng)的路要走。我們距離有價(jià)值的短期申請(qǐng)僅一步之遙。誰(shuí)知道這一天什么時(shí)候到來(lái)呢？ （任天堂）