谷歌实现量子霸权了吗？

周华

　　这或许是计算机领域的一个里程碑事件：谷歌宣称「量子霸权」已经实现，他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性：在世界第一超算 Summit 需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。

　　在最近提交的一份论文中，研究人员提出了这一主张，它也是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机，并走向实用化最为强烈的迹象。在未来，我们或许可以使用这种全新工具解决此前无法解决的数学问题。

　　量子霸权是指量子计算拥有的超越所有传统计算机的计算能力。谷歌的研究人员声称已经实现量子霸权，这意味着最新的量子计算机能力已经达到了目前最为强大的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完成特定任务的运算，而目前世界排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的「Summit」执行同样任务需要大约一万年时间。

　　「相对于所有已知的经典算法而言，这种惊人的速度证明了计算任务上量子霸权的实现，预示着人们期待已久的计算范式的到来。」研究人员在论文中写到。

                               
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                                                                                            图1 谷歌的「Foxtail」量子处理器。

　　这一消息最先被英国《金融时报》报道，谷歌研究的论文于本周提交至 nasa.gov，但随后被删除。谷歌发言人拒绝证实该论文及其结果的真实性，而 NASA 没有立即回应置评请求。

　　这一消息立即引来了许多媒体的报道，据美国《财富》杂志援引谷歌消息人士称，论文被撤回是因为其研究还没有经过同行评审彻底讨论之前被 NASA 提前发表了。通常，评审过程需要数周或者数月时间。

　　如果论文通过审议并顺利发表，它将预示着量子科学进入了一个全新阶段，因为其主要主张打消了一些不可预见的自然法则，可能会阻止量子计算机顺利运行的疑虑。

　　量子计算的发展速度：摩尔定律的指数级

　　谷歌研究人员在论文中写到：「在现实世界的系统中，我们可以实现量子加速，它并不受任何未知物理定律的限制。」

　　此外，在研究中人们还预测量子计算机的算力将会以「双指数速率增长」，这意味着它的增长速度大大超过了摩尔定律，后者是指数形式的，认为传统计算机的芯片算力每 18 个月性能翻倍。

　　双指数增长远比指数增长更加快速——数量级不是按 2 的幂增长，而是按 2 的幂的幂增长，也就是：

                               
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　　这种增长方式有些难以理解，以至于在现实中很难找到这样的案例。量子计算的发展速度可能是第一个。

　　今年 6 月，《Quanta Magazine》曾报道了谷歌在量子计算方面的近期研究。2018 年 12 月，Google AI 的科学家想要对谷歌最好的量子处理器上进行的计算进行复现，只需使用普通笔记本电脑即可。到了今年 1 月，他们在改进版的量子芯片上进行相同的测试就不得不使用功能强大的台式计算机来模拟结果。而到了 2 月，大楼中不再有任何经典计算机可以对量子计算机的研究进行模拟了。研究人员必须在谷歌庞大的服务器网络上请求算力才能完成。

　　这种算力爆炸的定律被称为 Neven 定律，谷歌量子人工智能实验室（Quantum Artificial Intelligence lab）主任 Hartmut Neven 在今年 5 月的谷歌量子春季研讨会上首次提出了这一概念，他也表示量子霸权会在 2019 年内实现。

                               
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　　                              图2 谷歌量子人工智能实验室负责人 Hartmut Neven 认为，量子计算机的能力正在以前所未有的速度增长。

　　Neven 认为，量子计算机以双指数增长超越计算机的过程是两个指数因子相互组合的结果。第一，量子计算机比经典计算机具有先天的指数优势。如果一个量子电路有 4 个量子比特，那么一个 16 比特的经典电路才能与其计算能力等效。第二个指数因子源于量子处理器的快速演进。

　　第一个只能在量子计算机上进行的计算实验

　　为了证明量子计算机独有的能力，谷歌的研究人员设计了一个实验，即通过一个涉及量子现象的特殊场景对随机产生的数字进行采样。该任务的目的是证明随机数生成器确实是随机的。

　　早在 2018 年，谷歌就推出过一个 72 量子比特的超导量子计算机——Bristlecone。为了进行此次实验，谷歌对该计算机进行了改造。此次实验用到的量子计算机名为「Sycamore」，包含 53 个量子比特。

　　研究人员表示，他们确定自己的量子计算机在该任务中击败了传统计算机，包括计算某些专门电路的输出。「当前最先进的传统计算机对量子电路中的一个实例采样 100 万次需要 1 万年，但我们的量子计算机只需要 200 秒，」研究人员表示。

　　研究人员还写道，「据我们所知，这是目前第一个只能在量子计算机上进行的计算实验。」

　　对于大多数人来说，我们已习惯了基于硅处理器、使用晶体管进行计算的二进制计算机，其「1」和「0」两种状态完全可以预测。然而，量子计算机完全改变了这一游戏规则。

　　量子计算机的主要构件模块是量子比特（qubit），任何量子性质，例如电子能级、自旋或光子的量子态等都可以用来表征量子比特，只要系统可以将其隔离并控制它们。一个量子比特只有两个状态，而 n 个量子比特最多可以表示 2 的 n 次方个状态。

                               
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　　量子计算结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革：信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学的规则替换二进制逻辑来计算，某些难以攻克的计算任务将得到解决。

　　追求通用量子计算机的一个重要目标是确定当前经典计算机无法承载的最小复杂度的计算任务。该交叉点被称为「量子霸权」边界，是在通向更强大和有用的计算技术的关键一步。

　　专家提醒：不要期望过高，以免泡沫破裂

　　业界希望谷歌、IBM、英特尔等大公司以及 Rigetti Computing 等初创公司开发的量子计算机能够在未来数年实现技术和科学方面的突破性进展。它们将变革药物研发、物流、制造、金融、能源甚至人工智能和机器学习等多个领域。

　　尽管谷歌取得的结果非常激动人心，但其他研究者提醒道，不要过分炒作这一结果，以防期望过高、泡沫破裂。

                               
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                                                                                            图3 谷歌正在开发的量子计算系统。

　　IBM 研究主管 Dario Gil 反对将「量子霸权」的实现作为衡量这一领域进展的标准。他认为，「该实验和『霸权』这种字眼几乎会对所有人产生误导。」

　　此外，他还将这一实验描述为高度特殊的「实验室」成果，认为其「没有实际应用价值」。「量子计算机永远都不会取得超越传统计算机的『霸权』」，而是将与后者协作，因为二者各有其独特的优势。」

　　英特尔量子硬件主管 Jim Clarke 将谷歌的这一进展称为「一个值得关注的里程碑」。他说，「商用量子计算机」的实现离不开研发的进步。虽然目前还只是这场马拉松的第一英里，但我们坚信这项技术的潜力。」

（文/李泽南、张倩，来源：机器之心ID:almosthuman2014）