近日，谷歌据传实现“量子霸权”(quantum supremacy) 的消息引发轰动。事件目前还在持续发酵，现已出现了包括 IBM 量子计算专家在内的“质疑派”。
事情的起因是，据英国《金融时报》9 月 20 日报道，一篇证明谷歌实现“量子霸权”的论文在 NASA 艾姆斯研究中心 (Ames Research Center) 网站上短暂发表，该中心的一些研究人员也是这篇论文的作者。在论文被删除之前，很多人下载了这篇论文，现在文章仍在网上流传。
“量子霸权”是量子计算机领域的一大里程碑目标，指的是量子计算机的计算能力超越传统计算机。其中，一个常被当作量子霸权的重要指标是量子比特 (Qubit) 数量，有学者认为，大概 50 个量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”。
根据论文内容，这家公司已制造出 53 量子比特数的量子计算机，计算能力超经典计算机，实现了“量子霸权”。
图｜此次论文（来源：谷歌）
揭秘谷歌量子计算野心
量子计算机的目标是利用量子力学的奇特之处来进行一些经典计算机无法完成的计算。传统计算机依赖于可以设置为 0 或 1 的“位”信息，而量子计算机使用量子位元，量子位元可以设置为 0、1，或者同时设置为 0 和 1 的任意组合，这得益于量子力学。这也使得量子计算机能够同时处理大量输入，例如，一台 10 量子位量子计算机可以一次处理 210 或 1024 个可能的输入，而不是一次分析一个输入。
达到“量子霸权”的量子计算机将给人类文明带来重要影响，例如实现更快的 AI、加速新药研发等等，不过，它也会对现有加密技术提出重大挑战：超强算力可以实现对金融交易加密的暴力破解。
图丨加州大学圣塔芭芭拉分校教授 John Martinis，负责领导实验室进行量子计算机的硬件及芯片设计。（图片来源：DeepTech）
谷歌的“量子霸权”计划是由加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马丁尼斯（John Martinis）主导，并且已经研究多年。DeepTech 曾拜访谷歌神秘的 quantum AI Lab，并采访过这位谷歌量子计算的掌门人，了解到谷歌之所以对量子计算机深感兴趣，主要有两个层次的需求：
一是 Google 在全球拥有不少数据中心，希望通过高效能的运算处理器或计算方法来为用户提供更快速的网络服务；
其次，希望借由布局各种前瞻、突破性的技术，以维持其在商业或技术上的领先优势。
当时，约翰·马丁尼斯对 DeepTech 透露，“实验室有三个主要的研究领域，第一个是研究通用型量子计算机（universal quantum computer），第二个是连续性模拟器（continuous simulator），最后一个则是量子退火（quantum annealer），有点类似 D-Wave 做的事。”
图丨谷歌的 quantum A.I. Lab隐身在圣塔芭芭拉的平凡办公室内。（来源：DeepTech）
但约翰·马丁尼斯尚未针对此次“量子霸权”实现发表言论。这次论文之前，谷歌曾立下“flag”称，在 2018 年年底会实现“量子霸权”。去年这一目标并未实现。
直到上周末，随着论文的曝光（现在看来很可能是意外曝光），谷歌实现“量子霸权”的进展再度传起。
据该论文的信息，谷歌创建了一个名为 Sycamore 的量子计算机，包含 53 个量子比特。研究人员用它在 200 秒内执行了一系列操作，而顶尖超算 Summit 完成相同超算则需要 10,000 年。
（来源：谷歌 / NASA）
“相对于所有已知的经典算法而言，‘量子霸权’都是一次巨大的提速，它的实现预示了人们期待已久的计算范例的到来，”最新论文中写道。
乐观派看到新希望
谷歌的这篇论文标题为“基于可编程超导处理器的量子至上性”（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）。文中提到：“据我们所知，该实验标志着只能在量子处理器上执行的计算诞生。”此外，谷歌预计，量子计算机的性能将以“双指数速率”增长，远超主宰经典计算机的摩尔定律。
论文一经曝光，有相当多对谷歌这一结果持乐观态度的声音。
英特尔量子硬件总监吉姆·克莱克（Jim Clake）表示：“随着我们继续提高量子计算的潜力，谷歌最近实现量子霸权的最新进展是一个明显的里程碑。我们与业界一起正在快速推进，以实现量子计算的真正潜力。”
南加州大学的丹尼尔·里达尔（Daniel Lidar）也称赞谷歌减少“串扰”（crosstalk）问题的方式，在这种情况下，量子计算机的量子位会相互干扰。他对《金融时报》表示：“谷歌已经展示了通往可扩展量子计算的道路。一旦拥有一台经过完全纠错的量子计算机，那就无敌了。”
Chad Rigetti 是旧金山里量子计算新星 Rigetti Computing 的创始人兼首席执行官，该公司正在开发自己的量子计算机，他说：“这是一项伟大的科学成就，谷歌宣布了他们的成果。”他指出，谷歌几年前曾详细说明了它将如何达到量子霸权。
（来源：Rigetti Computing）
加州大学戴维斯分校 (University of California, Davis) 的数学家 Greg Kuperberg 表示，谷歌这一进展狠狠地驳斥了“制造量子计算机是不可能的”这一观点。
去年年底，由美国国家科学院、工程院和医学院联合组建的专家委员会发布了一份长达 205 页的报告，名为“Quantum Computing: Progress and Prospects（量子计算：成果与展望）”，旨在提供“一个独立的评估报告，分析关于建造一个能解决现实世界问题的实用量子计算机的可行性”。
报告的结论与我们在某些媒体上读到的关于量子计算的美好愿景形成强烈对比，你可能畅想一台功能强大无比的量子计算机即将在 5 到 10 年后面世。但这一可能性微乎其微。该报告结论曾给量子计算机发展泼了不少冷水。
消极派质疑其通用性
对于谷歌这次达到“量子霸权”的论文结果，伦敦大学学院的物理学家乔纳森·奥本海姆（Jonathan Oppenheim）在推特上写道：“虽然这是一个里程碑，但要创造一台能计算出有用信息的量子计算机，人们还有很长的路要走。”
此次进展中的一个疑问在于，谷歌执行的具体计算没有已知的用途，或不足以证实这个机器的通用性。这也是 IBM 的研究部主管达里奥·吉尔（Dario Gil）质疑谷歌这一进展的出发点。
图 | Dario Gil 出席《麻省理工科技评论》活动 EmTech（来源：EmTech）
他在接受《金融时报》采访时表示，谷歌声称已经实现量子霸权的言论是错误的（“just plain wrong”）。他认为谷歌的系统是专门用于解决单个问题的专用硬件，没有证明通用性，“这与 IBM 所做的不同”。
达里奥·吉尔也回复《麻省理工科技评论》表示：“量子计算机永远不会有远胜于经典计算机的绝对‘霸权’地位，两者各有千秋，各司其职，对于许多问题，经典计算机将仍然是使用的最佳工具。”
现在，IBM 也正在投入大量人力、物力研发量子计算机，不过他们使用的一个衡量标准是“量子优势”（quantum advantage）——“在传统计算机能力范畴内量子计算机的优势”——而非量子霸权。有趣的是，IBM 就在谷歌“量子霸权”论文流出的几天前，推出了 53 量子位的量子计算系统，据介绍同样刷新了世界纪录，且客户可以在今年 10 月就能真实地在线使用该计算系统。
目前，构建量子计算机一个严峻挑战是纠错问题。对于量子计算机来说，即使是很小的温度变化或微小的振动也会破坏量子比特的微妙状态。在任何时间尺度内维持量子比特都非常困难；它们倾向于“退相干”，也就是说失去其微妙的量子性质，就如烟圈在最轻微的气流中分解一样。而量子比特越多，这两个问题的解决就变得越困难。
“如果你有 50 或 100 个量子比特，并且他们确实工作得很好，有完全纠错能力，你就可以做一些‘不可能的计算’，这些计算现在或以前都不能在任何经典计算机上复制，”耶鲁大学教授、Quantum Circuits 公司的创始人 Robert Schoelkopf 曾经如此表示，“量子计算的另一面是它存在着指数级的出错概率。”
另一个值得注意的原因是，即使是具有完美功能的量子计算机，其实用性可能也并不明显。它不会简单地加快你给它的任何任务；事实上，对于许多计算来说，它比传统机器要慢。迄今为止，只有少数算法在量子计算机显然具有优势的情况下被设计出来。
有意思的是，吉尔表达了许多量子领域人士长期以来的担忧：在围绕量子霸权的所有宣传和炒作之后，量子计算可能会经历一次挫折，就像从上世纪 70 年代一直困扰着人工智能领域的那次挫折一样，直到最近十年，AI 才终于赶上了人们的期望。然而，谷歌的研究人员似乎很乐观。在论文中，76 位作者宣称：“我们离量子计算机有价值的短期应用只有一步之遥。”
截止目前，谷歌尚未正式回应“量子霸权”的实现。
-End-
参考：
https://mp.weixin.qq.com/s/GozdS2-nF2fchcIRyKX0sg
https://www.theverge.com/2019/9/23/20879485/google-quantum-supremacy-qubits-nasa
https://www.sciencenews.org/article/rumors-hint-that-google-has-accomplished-quantum-supremacy_
https://www.technologyreview.com/f/614416/google-researchers-have-reportedly-achieved-quantum-supremacy/
https://arxiv.org/pdf/1807.10749.pdf
https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view
https://www.sciencemag.org/news/2019/09/quantum-computer-bests-all-conventional-computers-first-claim-supremacy
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