9 月 20 日，據(jù)《財富》、《金融時報》等多家外媒報道，谷歌已經(jīng)利用一臺 53 量子比特的量子計算機實現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計算機無法完成的任務(wù)，即在世界第一超算需要計算 1 萬年的實驗中，谷歌的量子計算機只用了 3 分 20 秒。
這是迄今為止表明量子計算機超越傳統(tǒng)架構(gòu)計算機，并走向?qū)嵱没顬閺娏业嫩E象。雖然相關(guān)論文上傳至 NASA 后不久即被刪除，但還是有眼疾手快的讀者及時保存了論文。谷歌是否真的實現(xiàn)了量子霸權(quán)？這一實驗算不算一個里程碑事件？讀者可以去論文中尋找答案。
論文鏈接：https://drive.google.com/file/d/19lv8p1fB47z1pEZVlfDXhop082Lc-kdD/view
這篇論文的摘要寫道：量子計算機的誘人前景在于量子處理器上執(zhí)行某項計算任務(wù)的速度要比經(jīng)典處理器快指數(shù)倍，而根本性的挑戰(zhàn)是構(gòu)建一個能夠在指數(shù)級規(guī)模的計算空間中運行量子算法的高保真度處理器。在這篇論文中，谷歌研究者使用具有可編程超導(dǎo)量子比特的處理器來創(chuàng)建 53 量子比特的量子態(tài)，占據(jù)了 2^53?10^16 的狀態(tài)空間。重復(fù)性實驗得到的測量值對相應(yīng)的概率分布進行采樣，并利用經(jīng)典模擬加以驗證。
谷歌的量子處理器大約只需 200 秒即可對量子電路采樣 100 萬次，而當前最優(yōu)的超級計算機完成同樣的任務(wù)大約需要 1 萬年。這相對于所有已知的經(jīng)典算法有了巨大的速度提升，是在計算實驗任務(wù)中實現(xiàn)的量子霸權(quán)，預(yù)示著下一個萬眾矚目的計算范式的到來。
如果讀者想要了解量子計算到底是什么，可以看看下面這篇教程，它不需要我們理解量子力學(xué)就能有一個整體的理解：
教程地址：https://arxiv.org/abs/1708.03684
研究社區(qū)：這會是量子計算領(lǐng)域一個里程碑
谷歌的論文迅速在量子計算研究社區(qū)內(nèi)傳播，而「谷歌實現(xiàn)量子霸權(quán)」的消息也不脛而走，成為了上周末科學(xué)領(lǐng)域的一個重大新聞。在知乎上，有關(guān)這一問題的討論瞬間吸引了 3000 多萬次點擊。
量子霸權(quán)（quantum supremacy）是指量子計算在某些任務(wù)上擁有超越所有傳統(tǒng)計算機的計算能力。谷歌的研究人員聲稱已經(jīng)實現(xiàn)量子霸權(quán)，這意味著最新的量子計算機能力已經(jīng)達到了目前最為強大的超算也無法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運算，而目前世界排名第一的超級計算機、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的「Summit」執(zhí)行同樣任務(wù)需要大約一萬年時間。
如何評價谷歌宣稱實現(xiàn)量子霸權(quán)的研究？量子計算領(lǐng)域杰出科學(xué)家、原香港中文大學(xué)副教授、現(xiàn)騰訊量子實驗室杰出科學(xué)家張勝譽在獲知消息之后表示，歷史上谷歌硬件組一直做得很好，相信谷歌的研究是有真實性的。量子霸權(quán)的實現(xiàn)取決于很多因素，重要的是谷歌的確實現(xiàn)了 50 比特以上、各方面參數(shù)接近優(yōu)秀的系統(tǒng)，這一點難能可貴。
不過，張勝譽認為谷歌主張的量子計算雙指數(shù)發(fā)展規(guī)律并不太可能實現(xiàn)。
麻省理工學(xué)院量子物理博士在讀的 @ 少司命 則對于這篇論文進行了簡單的解讀：
在硬件方面，谷歌家一直用的是超導(dǎo)電路系統(tǒng)，這里是 54 個物理比特 (transmon) 排成陣列，每個比特可以與臨近的四個比特耦合在一起，耦合強度可調(diào) (從 0 到大概 40MHz)。
文章最重要的部分，谷歌在多項式時間內(nèi)實現(xiàn)了對一個隨機量子電路的采樣，而在已知的經(jīng)典計算機上需要的時間則非常非常之久，像文中實現(xiàn)的最極端的例子是，對一個 53 比特 20 個 cycle 的電路采樣一百萬次，在量子計算機上需要 200 秒，而用目前人類最強的經(jīng)典的超級計算機同樣情況下則需要一萬年。亦即在這個問題上，量子實現(xiàn)了對經(jīng)典的超越。*
這里的 cycle 指的是對這些比特做操作的數(shù)目，一個 cycle 包含一系列單比特操作和雙比特操作，可以近似理解為電路的深度 (circuit depth)。對于最大的電路，即 53 個比特 20 個 cycle 的情況，在量子處理器上做一百萬次采樣后得到 XEB 保真度大于 0.1% (5 倍置信度)，用時大概 200 秒。而要在經(jīng)典計算機上模擬的話，因為比特數(shù)目很多整個的希爾伯特空間有 2^53~10^16 而且還有那么多電路操作，這已經(jīng)超出了我們現(xiàn)在超級計算機的能力 (within considerable time)。
就像文中舉的另一個例子，用 SFA 算法大概需要 50 萬億 core-hour(大概是一個 16 核處理器運行幾億年吧), 加 10^13 kWh 的能量 (也就是一萬億度電...)，可以想見是多么難的事情了。而量子這個問題上為啥會比經(jīng)典好也非常容易理解，用到的就是量子運算的并行性，即量子態(tài)可以是疊加態(tài)可以在多項式時間內(nèi)遍歷整個希爾伯特空間，而經(jīng)典計算機模擬的話需要的資源則是隨著比特數(shù)目指數(shù)增加的。
當然有沒有可能是有些更好的經(jīng)典采樣算法和量子的差不多，只是我們沒有找到呢？文中沒有給出很直接的回答，他們認為從復(fù)雜度分析來講經(jīng)典算法總是會隨著比特數(shù)和 cycle 指數(shù)增加的，而且即使未來有一些更好的經(jīng)典算法，到時候量子的處理器也發(fā)展了所以還是會比經(jīng)典的好。
最后 @ 少司命 認為，我們對于谷歌新研究感到振奮的同時也要保持清醒，我們離著實現(xiàn)量子計算的完全功力還有很遠的距離。硬件上有集成化的問題，比如這里的超導(dǎo)比特系統(tǒng)要加微波 control 要諧振腔 readout，比特數(shù)目增加后有空間不足和 cross-talk 等各種問題，遠遠不止我們圖中看到的一個小芯片那么簡單。再一個比特數(shù)多了電路深度大了怎么繼續(xù)提高保真度也是很大問題，像這篇文章里 53 個比特到第十幾個 circuit cycle 時候保真度只有 10 的負二次方量級了，怎么 decorrelate error 實現(xiàn)量子糾錯，最終實現(xiàn)容錯量子計算等等，這些都是硬件上的挑戰(zhàn)。
算法上，除了這里的采樣問題（由此延伸的可以解決的問題其實是非常有限的），又有哪些問題是可以證明量子比經(jīng)典有顯著優(yōu)勢的，可不可以設(shè)計一些算法使得量子計算機能解決經(jīng)典不能解決的問題，或者量子比經(jīng)典有顯著的加速，就像文章最后所說的：
在 NISQ(noisy-intermediate scale quantum computer) 的時代 (如下圖)，雖然我們離綠色真正的容錯通用量子計算機還很遠，但是現(xiàn)在已經(jīng)開始進入到藍色區(qū)域相信在未來幾年會有一些
當然，@ 少司命只是表達了自己的看法，至于論文究竟如何，大家還需要自己去讀一下。
被 NASA 刪除的「量子霸權(quán)」論文
以下是谷歌論文《Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor》的大部分內(nèi)容，供大家參考：
引言
20 世紀 80 年代早期，Richard Feynman 提出，量子計算機將成為解決物理、化學(xué)難題的有效工具，因為用傳統(tǒng)計算機模擬大規(guī)模量子系統(tǒng)的開銷呈指數(shù)級增長。實現(xiàn) Feynman 所描述的愿景需要面臨理論和實驗方面的重大挑戰(zhàn)。首先，量子系統(tǒng)能否被設(shè)計為一個足夠大的計算（希爾伯特）空間來執(zhí)行計算并且錯誤率夠低、速度夠快呢？其次，我們能否提出一個對經(jīng)典計算機來說很難但對量子計算機來說很容易的問題？谷歌的研究者通過一個超導(dǎo)量子比特處理器在一個新的基準任務(wù)中解決了上面兩個問題。該實驗是邁向量子霸權(quán)的一個里程碑事件。
谷歌的研究者通過實驗證明，量子加速可以在現(xiàn)實世界的系統(tǒng)中實現(xiàn)，而且不受任何潛在物理定量的限制。量子霸權(quán)也預(yù)示著有噪聲的中等規(guī)模量子（Noisy Intermediate- Scale Quantum，NISQ）技術(shù)的到來。該基準任務(wù)可以直接應(yīng)用于生成可證明的隨機數(shù)；這種計算能力也可以用于優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)、材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。然而，完全實現(xiàn)量子計算還需要設(shè)計具有容錯能力的邏輯量子比特。
為了實現(xiàn)量子霸權(quán)，研究者在誤差校正方面也實現(xiàn)了許多技術(shù)突破。他們開發(fā)了快速、高保真門，可以在二維量子比特陣列上同時執(zhí)行。他們使用交叉熵基準（XEB）在組件和系統(tǒng)層面校準了用到的量子計算機，并對其進行了基準測試。最后，他們使用組件級的保真度來準確預(yù)測整個系統(tǒng)的性能，進一步表明量子信息在擴展至大型系統(tǒng)時表現(xiàn)與預(yù)期一致。
實現(xiàn)量子霸權(quán)的計算任務(wù)
為了展示量子霸權(quán)，研究者在一個偽隨機量子電路輸出的采樣任務(wù)中將他們的量子計算機與當前最強的超級計算機進行了比較。隨機電路是進行基準測試的一個合理選擇，因為它們沒有結(jié)構(gòu)，因此可以保證有限的計算難度。研究者通過重復(fù)應(yīng)用單量子比特和雙量子比特邏輯運算來設(shè)計一組量子比特糾纏的電路。對量子電路的輸出進行采樣，可以產(chǎn)生一組比特串（bitstring），如 {0000101, 1011100, ...}。由于量子干涉，比特串的概率分布類似于激光散射中的光干擾產(chǎn)生的斑點強度模式，因此，一些比特串比其他比特串更容易出現(xiàn)。隨著比特數(shù)和門循環(huán)數(shù)量的增加，用經(jīng)典計算機計算這種概率分布的難度呈指數(shù)級增加。
構(gòu)建和表征高保真的處理器
圖 1：Sycamore 量子處理器。a. 該處理器的布局，有 54 個量子比特，每個量子比特用耦合器（藍色）與四個最近的量子比特相連；b. Sycamore 芯片的光學(xué)圖像。
研究者設(shè)計了一個名為「Sycamore 的」量子處理器，包含一個由 54 個 transmon 量子比特組成的二維陣列，每個量子比特都以可調(diào)的方式與周圍四個最近鄰的量子比特耦合。連接是向前兼容的，使用表層代碼進行誤差修正。該設(shè)備的一個關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計突破是實現(xiàn)高保真的單和雙量子比特運算，這不僅是在隔離的情況下，而且在對多個量子比特同時進行門運算的情況下，還能進行實際的計算。
論文將討論以下要點：
在一個超導(dǎo)電路中，導(dǎo)電電子凝聚成宏觀量子態(tài)，使電流和電壓具有量子物理特性。該量子計算機使用的是 transmon 量子比特，可以看做是 5-7GHz 的非線性超導(dǎo)諧振器。該量子比特被編碼為諧振電路的兩個最低量子本征態(tài)。每個 transmon 有兩個控制器：一個用來激發(fā)量子比特的微波驅(qū)動器，另一個用來調(diào)整頻率的磁通控制器。每個量子比特被連接到一個用于讀取其狀態(tài)的線性諧振器。
如下圖 1 所示，每個量子比特也使用一個新的可調(diào)耦合器與周圍相鄰的量子比特相連。該耦合器的設(shè)計可以實現(xiàn)從 0 到 40MHz 的量子間耦合快速調(diào)整。由于一個量子比特不能正常工作，該裝置其實使用了 53 個量子比特和 86 個耦合器。
圖 2. 系統(tǒng)規(guī)模的 Pauli 和測量誤差。a.Pauli 誤差（黑、綠、藍）的經(jīng)驗累積分布函數(shù)和度數(shù)誤差（橙）；b. 展示單量子比特和雙量子比特 Pauli 誤差的熱圖。
量子霸權(quán)的保真度估計
偽隨機量子電路生成的門序列（gate sequence）如下圖 3 所示。形成「量子霸權(quán)電路」的門序列設(shè)計用于將創(chuàng)建高度糾纏態(tài)（highly entangled state）所需的電路深度最小化，從而保證計算復(fù)雜性和經(jīng)典難度。
圖 3：量子霸權(quán)電路的控制操作。a. 實驗中使用的量子電路示例；b. 單量子比特和雙量子比特門的控制信號波形圖。
圖 4：量子霸權(quán)演示。
確定經(jīng)典計算開銷
谷歌研究者模擬了實驗中用在經(jīng)典計算機上的量子電路，這樣做是為了實現(xiàn)兩個目的：（1）在可能的情況下通過可簡化的電路來計算 F_XEB，進而驗證量子處理器和基準測試方法（上圖 4a）；（2）估算 F_XEB 以及采樣硬件電路所需的經(jīng)典計算開銷（上圖 4b）。在多達 43 個量子比特的情況下，研究者利用薛定諤算法（SA）來模擬完整量子態(tài)的演化，發(fā)現(xiàn) Jülich 超級計算機（10 萬核心、250TB）能運行最大的用例。
如果超出 43 量子比特，則沒有足夠的 RAM 來存儲量子態(tài)。對于量子比特數(shù)量更多的情況，研究者利用薛定諤-費曼混合算法（hybrid Schr?dinger-Feynman algorithm，SFA）在谷歌數(shù)據(jù)中心運行，以計算單個比特串的振幅。SFA 算法將電路分解為兩個量子比特塊，并在使用一種類似于費曼路徑積分的方法將它們連接起來之前，通過薛定諤算法高效地模擬每個量子比特塊。雖然 SFA 算法更能節(jié)約內(nèi)存，但隨著連接量子比特塊的路徑和門數(shù)量的指數(shù)增長，電路深度也相應(yīng)增加，因而該算法的計算開銷也呈指數(shù)增加。
在谷歌云服務(wù)器上，研究者做出估計，利用 SFA 算法執(zhí)行 0.1% 保真度的同一任務(wù)（m = 20）將花費 50 萬億核心小時（core-hour），消耗 1 拍瓦（petawatt）時的能量。然而，對量子處理器上的電路采樣 300 萬次只需 600 秒，采樣時間受限于控制硬件通信。事實上，量子處理器純工作時間約為 30 秒。這個最大電路的比特串樣本在網(wǎng)絡(luò)上存檔。
人們可能想知道，算法創(chuàng)新能夠?qū)⒔?jīng)典模擬提高多少。基于復(fù)雜性理論，研究者做出假設(shè)，該算法任務(wù)的開銷在 n 和 m 上都是指數(shù)級的。的確，過去數(shù)年，模擬算法一直在穩(wěn)步改進。研究者希望最終實現(xiàn)較本文中更低的模擬開銷，但預(yù)計將始終會被更大量子處理器上的硬件提升所超越。
未來會怎么樣？
凡此種種，量子處理器最終實現(xiàn)了量子計算領(lǐng)域的霸權(quán)。谷歌研究者期望量子處理器的計算能力可以繼續(xù)以雙指數(shù)率增長：模擬量子電路的經(jīng)典開銷隨計算體積的增大而增加，并且硬件的提升將有可能遵循量子處理器的摩爾定律，使得計算體積每幾年就增大一倍。為了保持雙指數(shù)增長率并最終提供能夠運行 Shor 或 Grover 等已知的量子算法所需的計算體積，量子誤差校正工程將成為以后的關(guān)注重點。
由 Bernstein 和 Vazirani 制定的「擴展邱奇-圖靈論題（Extended Church-Turing Thesis）」聲稱，圖靈機器可以有效地模擬任何「合理的」計算模型。谷歌研究者的實驗表明，現(xiàn)在有一種計算模型可能違背了這種說法。他們已經(jīng)利用物理實現(xiàn)的量子處理器（非常低的誤差率）在多項式時間進行隨機的量子電路采樣，但目前對于經(jīng)典計算機而言不存在有效的方法。得益于這些進展，量子計算正從一個研究課題過渡到一項能夠開發(fā)新的計算能力的技術(shù)，并且離有價值的短期量子應(yīng)用只缺少有創(chuàng)造性的算法了。
雖然在實現(xiàn)量子霸權(quán)的道路上，谷歌可能已經(jīng)實現(xiàn)了一個重要的里程碑，但我們和量子計算的黃金時代還有一段距離要走。